结构设计中,风荷载是必须考虑的荷载工况之一,基本风压值较高地区的高层或者超高层建筑,风荷载更是是确定结构布置、影响构件设计及成本造价的主控因素。作为前处理的系统性参数,基本风压及其相关的体型系数、高度变化系数、风振系数等,对整体结构布置、构件截面设计等的影响都是广泛全面的,对成本造价的影响也远超后续施工图阶段中部分构件的截面配筋优化。前面几篇文章,分别从时间角度、空间角度讨论了基本风压w0的优化取值,后续
结构设计中,风荷载是必须考虑的荷载工况之一,基本风压值较高地区的高层或者超高层建筑,风荷载更是是确定结构布置、影响构件设计及成本造价的主控因素。作为前处理的系统性参数,基本风压及其相关的体型系数、高度变化系数、风振系数等,对整体结构布置、构件截面设计等的影响都是广泛全面的,对成本造价的影响也远超后续施工图阶段中部分构件的截面配筋优化。前面几篇文章,分别从时间角度、空间角度讨论了基本风压w0的优化取值,后续将讨论一下与其相关的系数,本次讨论的是建筑群的相互干扰系数,其作用机理、数值分析及风洞试验结果等网上均有大量论文可以参考学习,本文主要研讨的是基于规范的的实用设计方法。
为达到利益最大化,甲方要求规划容积率基本都要做满、以争取最多的可售面积和收入,建筑物的间距通常不会太宽松,相距较近的建筑物对其所受到的风荷载会起到相互影响干扰作用,该作用既有偏有利的“遮挡效应”,也有偏不利的“尾流干扰效应”、“峡谷效应”等。在结构设计时应考虑相距较近的建筑物的相互干扰影响,以下是国标、地标规范的相关条文的截图:
国标《荷载规范》2012条文及说明
国标《高规》2010条文及说明
广东省《高规》2013条文及说明(2021内容基本相同)
广东省《荷载规范》2014条文及说明
以上几本规范都提及了相互干扰系数,但应用到实际设计时仍存在不少疑问需要予以明确。1、相距较近是多近?2、施扰建筑跟受扰建筑有没有体量上的限制?比如:300m塔楼是否要考虑相邻3m房屋的干扰影响等。3、高度相近的矩形建筑,顺风向系数1.00~1.10、横风向系数1.00~1.20,幅度还是偏大,有没有更细致的取值方法?等。
常见设计或图审,对此往往也是模糊不清,确实被提及了就拍脑袋取个中间值比如1.10。在《具体项目基本风压的插值选取优化》一文中,通过对比卫星地图和风压等值线图,细化确定基本风压w0取值,其优化幅度也就约7~10%,一下子就拍没了。该系数对风荷载值的影响大、对整体成本影响也大(特别是高风低烈度地区),取值还是宜慎重细致。
通过仔细翻查规范条文及说明,结合网上论文资料,对上述疑问还是可以得到较为明确答案、用于指导实际设计的。
1、相距较近。在《广东省荷载规范》2014的7.3.3条文说明里,提出参考值“建筑物周围的半径为1.0倍建筑高度的范围”,即r=1H的圆形区域内的施扰建筑为相距较近的施扰物、其影响不能忽略。
2、建筑物的体量关系。同样在《广东省荷载规范》2014的7.3.3条文说明里,提出参考值“超过0.5倍受扰建筑高度的周围建筑”,即>0.5H的施扰建筑影响不能忽略。
此外,网上论文《群体高层建筑风致干扰效应研究进展》中,也有类似的结论:
3、更细致的算法。《国标荷载规范》的8.3.3条文说明和《广东省荷载规范》的7.3.3的条文说明,均提供了高度相同的单个施扰建筑顺风向系数、单个施扰建筑横风向系数、两个施扰建筑顺风向系数共3个计算图表。
以上图表在理论上存在一些限定条件,从实用设计角度出发,可以对项目实际条件进行部分简化包络,比如:施扰建筑高度介于0.5~1.0H的包络均取为1.0H、异形平面按周长等效或边长包络折算为矩形等等。简化后图表可以适用于大部分项目,为干扰系数取值提供一种基于规范的实用细化算法,亦可作为设计及报送图审的可靠依据。
以下举一工程案例简要介绍该算法的具体操作:
项目总平图如下
下部居中的方形主塔48x48m总高300m,其北侧对称布置的2个L型副塔总高170m、体量超过0.5倍主塔高度不能忽略(其它相邻的裙楼高度最高不超过50m,可以忽略);主副塔距离约100m位于1.0倍主塔高度为半径的圆内,相距较近。据此判断,应考虑副塔的群体干扰影响。
根据规范要求,主塔高度超过200m应做风洞试验,但必须明确:不代表风荷载取值就完全依赖于试验数据,还是需要结合规范算法的结果进行对比验证、综合判定最终取值。详见《国标高规》2010的相关条文及说明:
2014年颁布实施的行业推荐性标准《建筑工程风洞试验方法标准》中,补充了试验值跟规范值的对比限值
因此,做风洞试验,不代表规范算法就可以不管不用了。相反,规范算法的参数及结果,需要更加精细准确,才能作为跟风洞数据对比验证的可靠依据。因此,学习群体干扰系数基于规范的图表算法、掌握多一种实用设计方法,对于结构师而言也是有利无弊的。
图表算法的步骤简述如下:
1、将2个施扰建筑的计算图表插入dwg图中,并补充刻度标线轴网。
2、根据总平图的相对位置关系,分方向逐次将主副塔投影到图表中。
3、汇总图表分析结果,最终确定规范算法的主塔群体干扰影响系数双向均取1.025。
上述图表算法,主要是利用dwg图准确放点,工具简单、操作简便、耗时不多,不难掌握应用,是一种较好较实用的细化设计方法。
有几点是可以展开讨论的:
1、采用多少个方向角。个人认为按结构设计选定的方向角、即常规的正交4个方向即可。自然环境中风荷载是360度全方向的,在理论分析及风洞试验时,为了全面包络会采用24~36个风向进行分析;但结构设计讲求实用性,所以风洞试验结果最终会等效为结构设计常用的正交主轴方向的风荷载提供给主体设计使用。同理,规范算法中,明确干扰系数是用于修正体型系数?s的,而?s又是跟平面形状、结构假定的主轴方向等密切相关的。如下图:
矩形平面,考虑正面迎风时?s1=0.8,迎风面积是单个正立面;如考虑斜向受风,参照L形平面图表迎风?s1=0.5(也容易理解,斜向布置有利于泄压),迎风面积是两个斜立面之和。可见,假定的主轴方向不同,?s取值也不同,作为修正用的干扰系数应保持跟?s一致的主轴方向进行取值。
2、干扰系数修正哪项。规范已经很明确,干扰系数修正体型系数?s,因此,在前处理参数中需要调整的是体型系数值。曾见过有的设计是将干扰系数用于修正基本风压w0、即把w0值调整了,设计师认为wk=?s?z?zw0,调整w0也是等效的;其实仔细查阅规范可知,w0还影响?z值,所以是不等效的,应按规范要求调整?s。
3、可分方向取不同系数值。如上述案例图表所示,不同方向上的施扰建筑位置不同、干扰系数值也是不同的,可以根据计算结果分方向分别取值。
4、可以按实际需求委托风洞试验专项分析。高风压地区,比如深圳w0=0.75kPa,折算平均风速34.6m/s已达12级台风标准,风荷载是结构设计安全及成本造价的主控因素,变化幅度10%影响的造价可能就达几百上千万的;因此,某些项目即使建筑高度不超200m,有需要时也可以委托风洞单位专项分析干扰系数的取值,有经验有能力的风洞单位通过数值风洞也可以提供合理可靠的数据(不一定是物理风洞),费用和时间相对较省。
综上所述,群体干扰系数的图表算法是一种基于规范的实用细化分析方法,值得推广应用。设计建议如下:
1、根据建设项目的地点、条件等,初步判定风控还是地震控。
2、风控项目,根据塔楼高度初步判断相邻建筑的影响相关性。
3、确实存在施扰建筑时,采用图表算法分析确定干扰系数值,用于修正体型系数?s。
4、必要时,可委托风洞单位进行专项分析。
知识点:风荷载群体干扰系数的图表算法