围护结构的风荷载_陈基发.pdf

文章编号1002-8528(2000)06-0026-06围护结构的风荷载陈基发(中国建筑科学研究院,北京100013)摘 要讨论国外荷载规范中有关围护结构的风荷载规定,在归纳国外经验的基础上,对我国 建筑结构荷载规范 的修订提出了建议。关键词风荷载;设计规范;围护结构中图分类号 TU312+11文献标识码 AThe Wind Load for CladdingCHEN Ji2f a(China Academy of Building Research,Beijing 100013,China)Abstract The wind loads for cladding in various loading codes of foreign countries are explained in this paper.On the basis ofinduction of foreign practice experiences,the recommendation is provided for revision of Building Loading Code GBJ9-87.Keywords wind load;design code;cladding收稿日期2000-09-091 前 言在我国以往的荷载规范中,有关风荷载的规定,我们只能理解为仅对建筑结构的主要结构系统有效。虽然在 建筑结构荷载规范GBJ9-87中,参考前苏联荷载规范的规定,开始采用局部风压体型系数,对围护结构的风荷载做出规定,但这里考虑的仅是风压在受风面积上的空间不均匀性,而没有对风压在时间上的随机性作出相应的修正。由于所提供的基本风压是在10分钟平均风速的基础上,经统计分析得出的30年最大风压,而实际上在发生最大风速时,在10分钟内的某个时刻风速很可能大于平均风速,对于一般围护结构,由于在构造上已能足够抵御风荷载的作用,这问题本来还不算严重。但对目前正在发展的幕墙结构来说,由于材性上的弱点,对风荷载就显得比较敏感。因此,玻璃幕墙工程技术规范J G J 102-96给出了瞬时风压的阵风系数2125,以此提高围护结构的风荷载取值。与其它国家的荷载规范相比,在对围护结构风荷载的规定方面,我们的规范显得有所欠缺,它不能为结构设计提供全面的指示性规定。现将国外的主要规范中,有关围护结构风荷载的内容摘要地加以介绍,以便从中借鉴有用的经验。在国外的荷载规范中,关于风荷载的确定主要是根据风洞试验的结果,考虑到房屋的尺寸及其比例对风荷载的影响比较明显。因此,在规范中大多是将低矮的房屋和较高的房屋区别对待而加以规定。2 国际标准ISO 4354及加拿大国家建筑规范NBC 19951997年发布的ISO 43542在确定风荷载时,原则上有两种方法可供选用,即,简单的和详细的方法。但对风敏感的结构,仍建议要做特殊的补充研究后再确定。简单方法主要用于大部分的围护结构和符合下述条件房屋的主要结构系统:高度小于15m;不是明显地曝露在任何风向下(房屋不在山巅或海角);结构的刚性较大。风荷载由下式确定:w=qrefCexpCfigCdyn(1)式中,qref为基准风压,按开阔地面上10m高处平均时距10min重现期50年的平均风压确定。Cexp为曝露系数,相当于我国规范中的高度变化系数。ISO 4354在详细方法中,将曝露系数具体划分为四类,建议按对数规律建立系数的表达式,但仍认为可近似采用指数规律。此时,其表达式如下:Cexp,z=kp,z0(z/10)2(2)式(2)中有关参数见表1。在简单方法中一般不区分地貌类别,相当于按详细方法中的类别B确定曝露系数。但对海岸或特别曝露的平坦开阔地带,还可采用增大系数112114,一般情况建议取113。第16卷第6期建 筑 科 学Vol.16,No.62000年12月 BUILDING SCIENCEDec.2000表1 地面类别及其参数类别地貌描述kp,z 0ABCD开阔海面开阔地面(通常采用)郊区,林地城市中心01110114012201311141100150116就表1中的数据与经修订后的我国荷载规范相比,四个粗糙度类别的风压高度变化系数,我国规范除城市中心仍比国际标准大一倍外,其它地面情况,基本相当。空气动力体型系数Cfig和动力响应系数Cdyn在简单的方法中是以组合的形式给出。采用这种形式,主要是因为这些低矮房屋的数据,都是根据在边界层风洞内的系统研究的结果。在实验结果中已包括气流脉动的影响。其组合的系数包括外压和内压两部分,表述如下:(CfigCdyn)com=(CfigCdyn)ext-(CfigCdyn)int(3)对低矮房屋的外压系数(CfigCdyn)ext在不同部位和有不同从属面积都有差异,具体数据从略。其中迎风墙面的系数最大达1175;背风墙面达-211。屋面的系数还与屋面坡度有关,在屋面角隅最大达-414。对h/b 1的所谓“高的”结构,其中矩形平面的高层建筑在图1和图2中给出了没有与Cdyn组合的压力系数。ISO 4354还对不同情况给出内压系数,见表2。图注:风向垂直于其中一墙面,其宽度指垂直于风向的尺度。风对墙面有角度:在与风向有微小角度的墙面上会发生很大的局部吸力,系数Cp,I可在墙面任何部位上发生,但不需与Cfig组合考虑;屋面的系数Cp,I见图2。端墙:端墙(与风向平行)的压力系数见图2。内压:内压的系数Cfig,int见图2。曝露系数的参照高度:计算空间平均压力和局部压力时,对背风墙采用015h,对屋面和侧墙采用h,对迎风墙取用所考虑的水平z的高度。高度范围内Cexp为常数的高度h1,对简单方法和曝露A类取10m,对曝露B类取1217m,对曝露C类取30m。图1 高度大于宽度的平屋面房屋的压力分布图表2 内压-体型系数和动力响应系数结 构 类 型Cfig,intCdyn,int(CfigCdyn)int有大孔口的房屋(例如有一侧敞开的房屋;设有经常开启的运输大门或通风口的工业房屋;有可能破损的大玻璃窗)-0172-114房屋的孔口面积小于1%全部墙面,且不是均匀分布(例如大部分设有门窗的封闭房屋)-0171-017房屋的孔口小于011%全部面积(例如大部分密闭且机械通风的高层房屋;其大门经抗风设计的无窗仓库)0-013110-013图注:局部最大吸力:当风与角部有角度时,在屋面及其连结设计时,采用屋面的系数Cp,I,该系数不与确定屋面整体漂浮时的Cfig重复考虑。端墙:平行于风向的端墙,压力在整个房屋高度上均匀分布,除了在图1中指明的局部最大吸力。曝露系数的参照高度:计算端墙的外部压力时采用房屋全高h,而计 算 内 压 时 采 用015h,但在迎风墙面上有孔口时,采用最高孔口的高度z1图2 房屋平面-端墙体型系数和屋面最大局部吸力当动力响应系数Cdyn没有连同空气动力体型系数组合地给出时,ISO 4354建议按下述数值采用:对围护结构 215对主要结构系统(包括锚碇)2对地下结构和基础 114由于ISO 4354执笔人的个人背景,其内容基本上与加拿大的国家房屋设计规范3,4相同,但其中基本风压的标准稍有差别,加拿大的风荷载对主要结构系统仍以重现期30年的小时平均风速为标准,而对围护结构以重现期10年的小时平均风速为标准。3 美国规范ASCE 7-93及UBC-1994311 美国ASCE7-93美国规范ASCE5在房屋的抗风设计中,将主要结构系统和单独构件或围护结构加以区分,采用不同的规则。对围72第6期陈基发:围护结构的风荷载护结构,根据房屋高度的不同又有所区分。对房屋高度小于60ft(1813m)的围护结构,其设计风压按下式确定:p=qh(GCp)-(GCpi)(4)式中,qh为在平均屋顶高度h处按曝露类别C(相当于我国规范粗糙度类别B)确定的风压;GCp和GCpi分别为外部和内部的包括动力影响在内的组合压力系数。对房屋高度大于60ft(1813m)的围护结构,其设计风压按下式确定:p=q(GCp)-(GCpi)(5)式中,q为对正压取离地面高度为z的qz,对负压取平均屋顶高度h处的qh;GCp和GCpi分别为外部和内部的包括动力影响在内的组合压力系数,按图3和表3取值。图3 房屋屋顶平均高度大于60ft的围护结构风荷载的外部压力系数GCp表3 房屋内部压力系数GCpi情 况 描 述GCpi情况1除情况2以外的所有情况+0125-0125情况2房屋内同时符合下述条件:其中一个墙面的孔口率超过其它墙面和屋面的孔口率总和在5%以上其它各墙面和屋面的孔口率都不超过20%+01750125 与加拿大规范和ISO 4354中的规定相同,美国规范也有不与压力系数Cp组合的阵风响应系数G的规定,对围护结构G按相应高度z由下式确定:Gz=0165+3165Tz(6)Tz=2135(D0)1/2(z/30)1/a(7)式中,系数和D0是反映地面粗糙度的参数,见表4。表4 曝露类别参数曝露类别zg(ft)D0ABCD31041571010101500120090070001025010100100501003对于主要结构系统G按房屋顶部高度处的Gh采用。当结构为柔性结构时,采用的阵风响应系数G,另按专门的规定确定。312 美国统一房屋规范UBC美国统一房屋规范UBC6是在美国采用比较普遍的房屋设计规范,有关风荷载的规定与ASCE的规定不完全相同。该规范明确指出不适用于高度超过400ft(12119m)以及高宽比大于5的房屋结构,否则仍应按批准的国家标准(AS2CE 7的前身为美国国家标准ANSI A5811)进行设计。因此,UBC中的风荷载规定可作为规范ASCE 7有条件的简化。在UBC中,对房屋和结构及其构件应按下述公式确定其任何高度处的设计风压:P=CeCqqsIw(8)式中,Ce为高度、曝露和阵风响应因素的综合系数;Cq为结构或结构部件的压力系数;Iw为重要性系数(该系数与在ASCE 7中相同);qs为在标准高度为33ft(10 m)处的风压。与ASCE 7不同,UBC将阵风响应系数与曝露系数结合在一起,而压力系数Cq以单独的形式加以规定。对围护结构而言,主要通过构件或部件上的压力系数Cq来确定。对此,UBC在压力系数表中有专门规定,其值要比主要框架和结构体系的大很多。具体规定如下:(1)墙面 所有结构 Cq=112(向内)封闭和不封闭结构 Cq=112(向外)部分封闭结构 Cq=116(向外)女儿墙Cq=113(向内或向外)(2)屋面 封闭和不封闭结构 坡度 7:12Cq=113(向外)坡度7:1212:12Cq=113(向外或向内)部分封闭结构 坡度 2:12Cq=117(向外)82建 筑 科 学第16卷 坡度2:127:12Cq=116(向外)或018(向内)坡度7:1212:12Cq=117(向外或向内)(3)墙角 Cq=115(向外)或112(向内)(4)屋檐(略)UBC没有要求考虑内压的规定,可以理解为已经包含在系数Cq内了。墙角和屋檐的局部范围规定在离转折处10ft(3105m)或011的结构最小宽度(取小者)。综合系数Ce按ASCE 7中的曝露系数和阵风响应系数乘积确定,UBC以表值给出,高度不超过400ft,曝露类别仅限于B、D、C三类,也即A类地面仍按B类考虑。此外,计算Ce时所取的高度,当风荷载向外作用时(负风压)为屋顶平均高度,当向内作用时(正风压)为所计算的构件高度。由上述规定可见,UBC在计算风荷载方面确实要比ASCE 7的规定简单,但它的应用是有限制的。4 日本建筑学会房屋荷载规范日本建筑学会的房屋荷载规范7,一向是将结构框架(主要抗风结构)和单独部件或围护结构(Components/Cladding)的风荷载的确定方法加以区别的,对后者而言,其风荷载按下述公式计算:Wc=qH(CpeGpe-CpiGpi)A(9)式中,qH为设计风速压力;Cpe为外部压力系数;Cpi为内部压力系数;Gpe为外压阵风效应系数;Gpi为内压阵风效应系数;A为风的作用面积。设计风速压力由参照高度H处的风速UH确定:qH=UH2/2;(10)UH=U0EH(11)式中,U0为基本风压(日本取重现期为100年);EH为曝露系数,见表5。上述系数在规范中区分得很为细致,将房屋划分为三类:高宽比不超过8、高度大于45m的矩形平面房屋;高宽比不超过8的圆形平面房屋;高度小于45m的矩形平面房屋,分别给出压力和阵风效应系数。在此仅将其中第一类房屋的有关系数摘录如下:(1)外部压力墙面(图4a)迎风墙面为压力,系数按下述公式确定:Cpe=110kza(12)Gpe=1+7Iza(13)kza=(z/H)2(14)Iza=011(za/zG)-0105(15)式中和zG是与地面粗糙度有关的参数,离地面的参照高度H取房屋的屋顶高度。1993年版本将地面粗糙度划分为五类,与其相应的曝露系数和其它参数见表5。表5 曝露系数及其它参数地面粗糙度分类zb(m)5551020梯度风高度zG(m)250350450550650曝露系数EHHzb11150190016901580150zbHzG117(H/zG)粗糙指数01100115012001270135式中,za为计算高度,根据实际高度z确定,但当z大于018H时取018H;当z小于等于zl时取zl。zl是与房屋尺度有关的尺度参数,由zb和la/2中取大者,la为墙面最小尺寸。背风墙面为吸力,系数按下述确定:对墙面分区 Cpe=-112,Gpe=215 对墙面分区 Cpe=-018,Gpe=310 对墙面分区 Cpe=-015,Gpe=310(a)墙面(b)屋面图4 矩形平面房屋墙面和屋面的分区屋面(图4b)屋面为吸力,其系数按下述确定:对屋面分区 Cpe=-210kc,Gpe=214 对屋面分区 Cpe=-112,Gpe=218 对屋面分区 Cpe=-110,Gpe=218屋面分区 的压力系数要考虑面积的折减,折减系数kc按从属面积Ac由下式确定:当Ac 5m2kc=018(2)内部压力内部压力的系数按下述确定:Cpi=0或-014Gpi=1135 前苏联荷载规范 2101107-85我国的设计规范,自建国以来,受当时苏联规范的影响颇深,荷载规范基本也是如此。在设计中,按苏联规范的规定,过去也不区别主要抗风结构和围护结构的风荷载,直到 -6-74发布后,才开始在计算房屋墙面角隅及屋92第6期陈基发:围护结构的风荷载面周边部位的围护构件与主要结构的连接时,考虑局部风压,取局部体型系数-210,沿宽度为115m的表面分布。对此,在我国的荷载规范1987年版本中也借鉴采用。必须指出,当时的苏联规范,其风荷载的基本风压是在风压板观测记录的基础上建立的,对应的风速相当于时距为2分钟的平均风速,与10分钟的平均风速相比,约大10%左右,尽管规范没有考虑脉动风速的因素,但问题不算严重。苏联荷载规范 2101107-858发布后,其基本风压的基础有些改变,也采用时距为10分钟的平均风速,同时规定风荷载w应由其平均分量wm和脉动分量wp的总和确定,平均分量wm=w0kc(17)式中,w0为基本风压;k为风压高度变化系数;c为风压体型系数,考虑局部负风压,取-210。即使是刚度很大的结构,原则上也应考虑脉动分量,规范规定其基本自振频率大于频率极限值fl时,脉动分量按下式确定:wp=wm(18)其中,为风压脉动空间相关系数;为在高度z处的风压脉动系数,按地面粗糙度类别的不同,由下式计算:A(z)=0176(z/10)-0115B(z)=1106(z/10)-0120(19)C(z)=1178(z/10)-0125 对于刚度有限的其它结构,规范对脉动分量另有规定,这里从略。6 分析与建议综上所述,可见不同国家的规范对围护结构的风荷载的设计值,在规则上各不相同,其结果也可想而知。其取值的差别,既有实验数据来源不同的原因,更主要的是取值的原则也不尽相同。例如墙面是否分区,如何划分;是否考虑荷载从属面积的因素;风压的参照高度如何规定;内压是否考虑,又如何取值;以及风压脉动影响的阵风系数(或称阵风响应系数,阵风效应系数)取值的依据等等。现以200m高、矩形平面的高层建筑为例,试按不同规范计算,比较其在墙面不同高度处的风压设计值。设10m高处的基本风压为0175kPa(50年一遇);地面粗糙度按相当于国际标准中为郊区的类别考虑(相当于国内标准为C类)。计算结果见表6。由表6的结果来看,不同规范的差别是存在的。它表现在迎风面上还不算明显,美国规范和国际标准(也就是加拿大规范)基本一致;日本规范由于采用屋顶高度为计算的参照高度,沿整个房屋高度的风荷载相对就比较大,顶部风荷载也比国际标准大18%。但起控制作用的墙面风荷载还是背风面的负压,不同规范的结果差别就大多了。其中考虑墙面分区的美国和日本规范的最大,尤其是美国规范还考虑了从属面积,由于从属面积大小的不同,其差别也很大。日本规范在背风面的风荷载是以屋顶高度为计算的参照高度,而国际标准是以房屋中间高度为参照高度,因此按日本规范的风荷载值偏大,除由于分区的因素外,采用不同的参照高度也是原因。表6 按不同规范的墙面风荷载值(kPa)规范名称 墙面位置50m100m150m200mISO4354:1997迎风面1175213821843122背风面-2158侧面-2145任意位置-1190-2158-3109-3150ASCE7-93迎风面背风面 背风面 背风面 1171/1118-2170/2105-4124/2192-5177/31582133/1161-2181/2115-4134/3103-5188/31692179/1193-2189/2123-4142/3111-5196/31773118/2119-2196/2130-4149/3118-6102/3183UBC墙面墙角1176-21202124-2180日本建筑学会房屋荷载规范迎风面2180312131503181背风面-4170背风面-3176背风面-2135 2101107-85墙角-1162-1188-2109-2127玻璃幕墙工程技术规范J G J102-96墙面墙角-2109-3113-2175-4112-3124-4185-3162-5143荷载规范建议方案墙面墙角-1195-3124-2145-4108-2181-4169-3111-5118关于阵风系数的规定,在国外规范中基本上有两种方式,一种是根据经验,采用相当于平均时距12s的放大系数,国际标准实际上是套用加拿大规范采用比较保守的值215;另一种是利用风压脉动系数f的概念,按定义f=gwwm(20)式中,g为脉动风压的峰值因子,可由理论导出,一般在35范围内取值;wm和w分别是风压的均值和标准差。假设围护结构的刚性很大,阵风系数就可按1+f确定。在 建筑结构荷载规范GBJ 9-87的条文说明中,已指出该规范的脉动系数采用下述经验公式:f=015315118(-0116)(z10)-(21)该系数是为了与原规范的风振系数吻合而作了调整,其中隐含的峰值因子约215左右,远比国外规范的为低。若在公式(21)的基础上给出阵风系数,同样也会得出与国外相比偏低的风荷载设计值。分析美国和日本规范的阵风响应(或效应)系数,不难发03建 筑 科 学第16卷现它们的公式也是在理论公式的基础上适当调整后再加以采用,因此也包含有经验的因素。为了在脉动风压中仍能反映湍流沿高度变化的规律,我们主张在脉动系数的基础上建立阵风系数的公式。而且认为ASCE 7提供的阵风响应系数已经使用了很长时间,并且又被UBC所套用,其所得的结果与其它规范相比,除在局部边缘面积上估计较高外,大部分结果还是适中的。我们建议围护结构风荷载的阵风系数可在ASCE的基础上,结合我们原规范的规定,作些调整后采用。建议阵风系数gz按下述公式确定:gz=k(1+2f)(22)式中,f为脉动系数,按公式(21)确定;k为调整系数,分别对A、B、C和D四类地面粗糙度取0192、0189、0185和0180。在确定式(22)的系数时,已经考虑到美国和我国规范的时距差别而予以修正。在确定围护结构的风荷载时,应按最不利的可能性考虑内压,建议在参照国外规范的基础上取+012或-012。按此规则计算的墙面风荷载见表6中的最后一项,由所得数据来看,与ASCE或日本规范相比相差还不是太大,与国际标准或加拿大规范相比,仍留有一定潜力。这样,在理论上由于考虑了湍流沿高度的变化规律,不采用笼统的单一系数,使房屋顶部的风荷载有所降低,缓解了墙面和屋面风荷载过大的弊病。同时还必须指出,根据国外边界层风洞的有关资料及规范规定,对于低矮的房屋,采用本建议确定围护结构的风荷载有高估的可能。因此,对低矮房屋的围护结构,仍可根据有关资料另行确定其风荷载。参考文献1中国建筑科学研究院 建筑结构荷载规范 管理组.外国建筑结构荷载规范汇编1991S.2 ISO 4354 Wind action on structures(first edition)1997-07-01S.3 NRC2CNRC National Building Code of Canada 1995 S.(CanadianCommission on Building and Fire Code)1995.4 Institute for Research in Construction NRC-CNRC Users Guide2NBC 1995 Structural Commentaries(Part 4)1995S.5 ASCE 7-93 Minimum Design Loads for Buildings and OtherStructuresS.1993(1982年版本ANSI A5811-1982的中译本见参考文献1).6 Uniform Building Code S.Vol12,Chap.16,Division II,WindDesign,1994.7 AIJ(Architectural Institute of Japan)Recommendations for Loadson Building日本建筑学会建筑荷载建议1996R.8 2.01107-85 (中译本见参考文献1)S.9行业标准,玻璃幕墙工程技术规范J G J 102-96S.中国建筑工业出版社,1996.说明人民政协报社工程方案设计简介人民政协报社迁扩建工程于2000年3月招标,中国建筑科学研究院建筑设计院中标;7月份正式委托我院进行设计。本工程规划布局上我们很成功的充分利用了地形,合理地安排了院内各部分的功能规划设计为:东北部为主要办公区,采编大楼及培训中心尽量靠北错落布置,北侧留出广场空间,作为将来开通通向平安大道的外部道路,有在北侧开大门的可能。现主入口设于大院西北角,办公楼主入口设于南面,采编大楼与培训中心两栋建筑分别为15000m2和18000m2。两栋建筑之间设入口中厅,人流通过中厅分别进入采编大楼和培训中心。两栋塔楼各自又有独立出入口,互相独立,便于各部门的分区管理。左院南侧为生活区,由保留原5层的住宅楼及三层电话局中间空地建设一栋塔式高层住宅所组成,住宅楼每层870m2,高度16层,建筑面积15000m2。工程计划在用地现状2公顷的土地上建设60000m2的建筑,围绕中心大片集中绿地,组成一宁静优美的办公、生活空间,本设计绿化率4615%,容积率3,外立面设计简洁、现代。中国建筑科学研究院建筑设计院(原名中国建筑科学研究院综合设计研究所)是建设部系统的甲级设计单位,创立于1984年,建筑、结构、设备、电气专业齐全。总部设在北京,上海、深圳设有分部,业务涉及国内十几个省市;并同美国、德国、日本、意大利以及东南亚等地区有业务往来。由于背靠中国建筑科学研究院这个国家级综合性的研究实体,能较快地将国内外建筑领域的新技术应用到设计中去,对技术复杂难度大的工程更占优势。中国建筑科学研究院建筑设计院院长:皮绍刚 电话:[phone] 地址:北京北三环东路30号 邮编:10001313第6期陈基发:围护结构的风荷载