荷载风振系数与阵风荷载因子的比较分析

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1、工程结构设计安全与可持续发展研讨会2010年荷载风振系数与阵风荷载因子的比较分析王国砚<同济大学航空航天与力学学院上海200092)摘要本文对我国现行风荷载规范中的荷载风振系数和美国等西方国家规范中的阵风荷载因子进行比较分析。通过对结构总响应计算过程的考察看出，我国的荷载风振系数在理论基础和计算方法上是合理的．关键词风荷载规范．顺风向风振．荷载风振系数，阵风荷载因子。我国现行荷载规范IlJ正面临新一轮修订，其中风荷载部分是重点之一。在风荷载部分的修订中，关注的焦点之一是我国规范的荷载风振系数与目前发达国家规范中的阵风荷载因子(GLF)之间的差别【21。由于历史原因，

2、我国规范的体系与前苏联规范的体系比较接近f3】，而与当今主流西方国家的风荷载规范体系有一定的差别。随着工程界与这些国家交往的增多，这种差别也带来了一些不便。另一方面，在目前的国际风工程界，以美、加、澳、日、欧为代表的西方主流国家处于领先水平，在国际交流中占据主导地位。这给我国风工程界与国外的交流带来了较大压力。因此，本轮风倚载规范修订已将是否需要与西方主流国家保持一致列为一个重点探讨的问题。然而，作为一部国家带有法规性质的规范，保持其权威性和稳定性，也是至关重要的。因此，如何考虑与国外接轨，就需要十分慎重。为此，首先应分析清楚我国规范与国外规范之间的本质差别；其次应

3、分析清楚我国规范在哪些方面是合理的，应该坚持不变，那些方面是不合理的，应该调整。从而在解决这一问题时作到“有的放矢”。在高层建筑顺风向风振响应计算方面，我国规范采用风振系数法，而美国等西方主流国家采用阵风荷载因子法。我国的风振系数是基于平均风荷载和脉动风等效风振力来等效的，故称之为荷载风振系数pl。阵风荷载因子是基于位移等效而建立的【41．两者之问有较大差别。对两种方法的评价一直是风上程界关注的热点问题之一．本文从结构响应计算的角度分析两种方法的合理性。通过对比分析可以看出，我国的荷载风振系数在理论基础和计算方法上是合理的。1两种方法的异同点我国规范与美国等西方国家

4、规范在定义风振系数和阵风荷载因子的方法体系上是相同的，即：都是采用基于随机振动理论的方法进行计算；都是仅考虑第一振型贡献：都是采用风振系数法，只不过国外称之为阵风荷载因子(GLF)法。主要不同点在于风振系数的定义。我国规范是采用基于等效风振力的脉动风等效静力荷载，并用荷载等效的方法建立风振系数。美国规范青至ASCE7．05．版【5J采用的仍是与-JJn拿大规范一致的基十位移等效的阵风荷载因子法，并称之为DGLF(GustLoadFactorbasedonDisplacement)‘4J。但在ASCE7．05的注释部分，将基于基底弯矩等效的阵风荷载网子法(称之为MGL

5、F——GIlStLoadFactorbasedOilBaseMoment)141推荐为一个可选方案。王国砚、男，1958年3月出生．博士，教授14工程结构设计安全与可持续发展研讨会2010年2对两种方法的比较分析以下对我国规范的风振系数和美国规范的两种阵风荷载因子作一些比较分析。2，1我国规范中基于等效风振力的荷载风振系数我国规范中的风振系数采用第一振型等效风振力定义13】’即：p：：型掣掣(1)一虿(z)一式中，虿(z)为线分布平均风荷载在z高度处的值；而p产(z)则为线分布第一振型等效风振力在Z高度处的值。对于可以用竖向悬臂梁为计算模型的等截面高层建筑而言，虿0

6、)和p产(z)分别按下式计算‘31：虿(z)=B·W(z)=“，(z)肛：(Z)WoB(1a)p?9(z)=，，l∞；(“Gi)=mo)?巾．(z)(po吼)(1b)其中，式Ob)的含义是，将p产(z)当作静力荷载作用在结构上，进行静力计算，所得到的位移、内力等即为结构在脉动风作用下相应于第l振型的各响应统计幅值(保证率为“)。可以证明【3】，由此得到的计算结果与按一般随机振动理论方法算得的结果完全相同。基于按式(1)定义的风振系数，我国规范规定的风荷载标准值为【l】wk=f；：“。p：wo(2)其中，风振系数D，的具体表达式为：p：=芎lV。絮(2a)p：‘zJ式

7、中每一项的定义可参见现行规范lIl。这相当于按下式确定作用在高层建筑上的线分布力：q(z)=p：虿(z)(3)将其作用在结构上，通过静力计算可求得结构的各总风振响应——内力响应或位移响应等。为分析我国荷载风振系数的合理性，这里采用影响系数的方法进行叙述。以图l所示的计算模型为例。根据结构力学【6j，当在z’点作用单位力FP=l时，在z点的位移可用柔度影响系数6，(z，z7)表示。那么，当在Z’点作用凡=q(z’)出’时，z点产生的位移就可写为：c＆(z)=8，(z，z’)g(z，)出’于是，在分布荷载90)作用下，任一点的位移x(z)可以由下式求出：工(z)=f