王欣朋 楊 新 付舉宏 張 海 李 鵬

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院塔桅所，北京 100045)

鋼塔桅高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算方法對比分析

王欣朋 楊 新 付舉宏 張 海 李 鵬

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院塔桅所，北京 100045)

對《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版和《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版兩本規(guī)范中風(fēng)荷載的取值進(jìn)行了對比，通過算例，了解了兩版規(guī)范對風(fēng)荷載的影響，為以后的工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載，規(guī)范對比，風(fēng)壓高度變化系數(shù)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，越來越多鋼結(jié)構(gòu)的廣播電視發(fā)射塔、觀光塔等高聳結(jié)構(gòu)拔地而起，類似高聳結(jié)構(gòu)高度越來越高，造型越來越奇特。風(fēng)荷載作為高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制荷載之一，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文對《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版和《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版兩本規(guī)范中風(fēng)荷載的取值進(jìn)行對比，通過算例了解兩版規(guī)范對風(fēng)荷載的影響，為以后的工程設(shè)計(jì)提供建議和指導(dǎo)。

1 風(fēng)荷載計(jì)算理論

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版計(jì)算等效靜力風(fēng)荷載采用的是第一振型的慣性風(fēng)荷載法，采用以背景響應(yīng)系數(shù)B和共振響應(yīng)系數(shù)R來反映脈動風(fēng)主要?jiǎng)恿μ匦缘谋磉_(dá)形式，這樣表達(dá)使得概念比較明確?！朵撍Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將風(fēng)荷載作用分為平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分，脈動風(fēng)考慮了多階振型共同影響的結(jié)果。

2 高度變化系數(shù)

《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版中的風(fēng)高度變化系數(shù)引用的是舊版的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，所以只劃分了3個(gè)粗糙度，而隨著國內(nèi)城市的發(fā)展，使得城市地貌下的大氣邊界層厚度與原來相比有所增加。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 2012版在劃分了4個(gè)粗糙度的情況下，適當(dāng)將B類地貌風(fēng)剖面指數(shù)從0.16調(diào)整到0.15，將C場地梯度風(fēng)高度從400 m提高至450 m，D場地的梯度風(fēng)高度為550 m，從而降低了各類場地風(fēng)壓高度變化系數(shù)，具體情況詳見表1。

表1 風(fēng)剖面指數(shù)對比表

風(fēng)高度變化系數(shù)的計(jì)算公式：

其中，α和HG分別為風(fēng)剖面指數(shù)和梯度風(fēng)高度；αb和HG,b分別為B類地貌風(fēng)剖面指數(shù)和梯度風(fēng)高度,詳見表2。

3 風(fēng)荷載的表達(dá)形式

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版：

風(fēng)荷載的作用公式：

F=wkAf

(1)

其中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Af為擋風(fēng)面積。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)公式：

wk=βzμsμzw0

(2)

其中，βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

表2 風(fēng)壓高度系數(shù)對比表

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版中的風(fēng)振系數(shù)采用共振響應(yīng)因子和背景響應(yīng)因子的形式表達(dá)：

(3)

(4)

(5)

其中，g為峰值因子；Bz為背景響應(yīng)因子；I10為10 m高度名義湍流強(qiáng)度；R為共振響應(yīng)因子。

規(guī)范中計(jì)算脈動風(fēng)荷載時(shí)只考慮了第一振型的影響，這種情況適用于質(zhì)量和剛度沿高度均勻變化，對于不屬于這種情況的結(jié)構(gòu)，荷載規(guī)范中給出的公式就不能簡單套用了，因?yàn)橐?guī)范中給出的參數(shù)是在質(zhì)量和剛度均勻變化時(shí)計(jì)算得出的。

《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版是適用于廣播電視行業(yè)的鋼塔、鋼桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的行業(yè)規(guī)范，在計(jì)算脈動風(fēng)荷載時(shí)本規(guī)范考慮了多個(gè)振型的影響。

風(fēng)荷載的作用效應(yīng)，應(yīng)按下式確定：

S=γSSS+γdSd

(6)

(7)

其中，S為風(fēng)荷載作用效應(yīng)；SS為平均風(fēng)作用效應(yīng)；Sd為脈動風(fēng)作用效應(yīng)；Sdj為脈動風(fēng)載j振型作用下的動力效應(yīng)，振型數(shù)m可取3個(gè)；γS,γd均為分項(xiàng)系數(shù)，一般取1.0。作用于結(jié)構(gòu)i質(zhì)點(diǎn)平均風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)值：

Psi=wkiAi

(8)

wki=μsμzw0

(9)

作用于結(jié)構(gòu)第i質(zhì)點(diǎn)第j振型的脈動風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值：

Pdji=MiYjiξjvjηj

(10)

(11)

其中，Pdji為j振型i質(zhì)點(diǎn)的脈動風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值；Mi為結(jié)構(gòu)第i質(zhì)點(diǎn)的集中質(zhì)量；Yji為第j振型第i質(zhì)點(diǎn)的水平相對位移；ηj為結(jié)構(gòu)第j振型的參與系數(shù)；vj為結(jié)構(gòu)第j振型的空間相關(guān)系數(shù)；mi為第i質(zhì)點(diǎn)風(fēng)荷載的脈動系數(shù)。

4 算例

4.1 單管塔計(jì)算

圓形截面單管塔計(jì)算參數(shù)見圖1，其示意圖見圖2，高度42 m，場地類別為B類，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，離地高度1 m，在標(biāo)高38，35，32，29處有平臺的集中質(zhì)量，周期T1=1.68 s，T2=0.338 s,T3=0.138 s。

4.2 格構(gòu)式電視塔計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)四邊形格構(gòu)式鐵塔(見圖3)，塔高130 m，底部邊寬20 m，桅桿段長15 m，頂部邊寬0.8 m，場地類別為B類，基本風(fēng)壓0.4 kN/m2，離地高度130 m，周期T1=1.626 s，T2=0.564 s,T3=0.279 s，為了便于分析算例中加入了風(fēng)振系數(shù)的概念。計(jì)算參數(shù)見圖4。

4.3 算例分析

1)根據(jù)單管塔算例，可以看到在除平臺以外的位置可以認(rèn)為塔體是質(zhì)量和體型隨高度均勻變化的，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載計(jì)算的理論不需要對外形加以修正，這種情況計(jì)算出的風(fēng)荷載大小要高于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)荷載值3%～25%,這種荷載上的差異也是兩本規(guī)范對于這種質(zhì)量和塔型隨高度均勻變化結(jié)構(gòu)的基本趨勢。

2)對于上部有類似平臺這種集中質(zhì)量的位置，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算出的風(fēng)荷載高于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》90%左右，出現(xiàn)這種大幅差異的原因在于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》在計(jì)算脈動風(fēng)作用時(shí)，公式中的第j振型的參與系數(shù)nj與質(zhì)點(diǎn)集中質(zhì)量Mi成反比，質(zhì)量越大風(fēng)振系數(shù)越小,相應(yīng)計(jì)算出的風(fēng)荷載越小。

3)根據(jù)格構(gòu)式電視塔算例，可以看到對于多邊形格構(gòu)式的鐵塔，整個(gè)鐵塔高度的中下部按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算出的風(fēng)荷載值要高于按《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算出的風(fēng)荷載值2%～13%，而中上部按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算出的風(fēng)荷載反而低于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 2%～50%，通過分析，產(chǎn)生這種情況的原因是由于這種類型的鐵塔，隨著高度的增加，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度不斷變小，這就導(dǎo)致在計(jì)算背景響應(yīng)因子BZ時(shí)需要乘以寬度修正系數(shù)，所以整個(gè)風(fēng)振系數(shù)以及最后的風(fēng)荷載會隨著高度增加而減小，最終在上部低于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)語

1)通過兩本規(guī)范的計(jì)算公式和多個(gè)算例的計(jì)算結(jié)果，首先可以得出在風(fēng)壓高度變化系數(shù)上，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版相比《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版有了明顯的降低，對于B類場地，降幅在0%～7%，具體和離地高度有關(guān)。2)在體型和質(zhì)量沿高度均勻變化的情況下，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》2012版計(jì)算出的風(fēng)荷載大于《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》2004版3%～25%不等，在體型和質(zhì)量不隨高度均勻變化的情況下，計(jì)算的風(fēng)荷載與體型和質(zhì)量都有很大的關(guān)系。3)對于帶天線平臺的獨(dú)管塔設(shè)計(jì)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)荷載與《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》在天線平臺位置差距很大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。4)對于格構(gòu)式電視塔，塔身中下部由于振動位移較小，計(jì)算風(fēng)荷載考慮多個(gè)振型情況意義不大，而上部結(jié)構(gòu)尤其是頂部桅桿段受到風(fēng)作用較大，振動位移較大，所以采用《鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算風(fēng)荷載考慮多個(gè)振型的共同影響更符合實(shí)際。

[1] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GY 5001—2004，鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 黃本才，汪從軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].第2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2008.

On comparative analysis of calculation methodsfor wind loading at towering structure of steel tower mast

Wang Xinpeng Yang Xin Fu Juhong Zhang Hai Li Peng

(TowerMastInstitute,Radio,Film&TVDesignandResearchInstitute,Beijing100045,China)

The paper compares the evaluating of the wind loading in the two regulations,ArchitecturalStructuralLoadingRegulation2012 andStructuralDesignRegulationofSteelTowerMast2004, and indicates the influence of the two editions on the wind loading by the calculation examples, so as to provide some reference for following engineering design.

towering structure, wind loading, regulation comparison, wind pressure height change coefficient

2015-02-07

王欣朋(1986- )，男，助理工程師； 楊 新(1986- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)11-0033-02

TU391

A