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建筑结构荷载规范[附条文说明] GB50009-20121总则1.0.1为了适应建筑结构设计的需要，符合安全适用、经济合理的要求，制定本规范。
1.0.2本规范适用于建筑工程的结构设计。
1.0.3本规范依据国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008规定的基本准则制订。
1.0.4建筑结构设计中涉及的作用应包括直接作用(荷载)和间接作用。
本规范仅对荷载和温度作用作出规定，有关可变荷载的规定同样适用于温度作用。
1.0.5建筑结构设计中涉及的荷载，除应符合本规范的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。
2术语和符号2.1术语2.1.1永久荷载permanent load在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。
2.1.2可变荷载variable load在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。
2.1.3偶然荷载accidental load在结构设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的荷载。
2.1.4荷载代表值representative values of a load设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。
2.1.5设计基准期design reference period为确定可变荷载代表值而选用的时间参数。
2.1.6标准值characteristic value／nominal value荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)。
2.1.7组合值combination value对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。
2.1.8频遇值frequent value对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。
B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【摘要】为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析.结果表明:台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值.两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25.因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性.%A numerical analysis on the wind-induced response of a four-circuit angle-steel transmission tower under conventional terrain B wind field and typhoon wind field was performed. A FEM model was established, and the dynamic response was calculated under a fluctuating wind field simulated by using harmonic wave superimposing method. Based on data of numerical analysis, wind-induced responses under each wind field were discussed. Essential conclusions are as follows; high turbulence and strong variability of typhoon wind field have great influence on the response of transmission towers. The RMS of acceleration under typhoon wind field is larger than that under terrain B wind field. Under the two types of wind fields, the average ratio of wind load factor is about 1.25. Therefore, the design of transmission towers in typhoon-prone areas should take the fluctuating wind load magnification effect into consideration. Furthermore, the wind tunnel test on anaeroelastic model of the transmission tower was performed to study its wind-induced responses under different velocity. The test results were compared with theoretical values and the accuracy of the numerical analysis was verified.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2013(032)006【总页数】5页(P13-17)【关键词】输电塔;数值分析;风振响应;风振系数;台风风场【作者】楼文娟;夏亮;蒋莹;金晓华;王振华【作者单位】广东省电力设计研究院,广州510663【正文语种】中文【中图分类】TU973.32我国东南沿海为台风多发地区，台风风场的高湍流度、强离散性和强变异性等特征将产生与良态风作用下不同的复杂风振效应，而现行规范尚未涉及台风作用下输电塔风荷载的具体规定。
312排气筒是废气处理中的常用设备，高径比较大，易受风载影响，容易发生共振，产生破坏性影响，因此在此类设计时，需要重点考虑风载对设备影响。
我单位设计的一台排气筒，筒体外径为426mm，排气筒总高15000mm，该台设备的高径比H/D=35.2，属于典型的细高型设备，在此我们要重点分析遇到风载时应考虑的问题。
1 设备的基本结构1.1 设计参数设计压力/Mpa（G）常压介质/密度/(kg·m -3)处理后油气操作压力/Mpa（G）常压抗震设防烈度7设计温度/℃60设计地震分组第一组操作温度/℃常温设计基本加速度0.1g 基本风压/Pa 400场地土类别Ⅲ基本雪压/Pa200地面粗糙度B类1.2 结构设计排气筒属于烟囱结构，主要由筒体（件1）、裙座（件2）、管口等附件（件3）等组成，结构形式见图1：1.2.1 筒体因为设计压力为常压，介质为处理过的油气，材质选用20#的无缝钢管，根据PV软件进行强度计算，厚度10mm，由于介质中含有硫化氢等杂质，所以钢管内表面采用热浸铝防腐。
1.2.2 裙座裙座的材质一般选用Q 235B ，考虑到防腐要求，所以在裙座内表面采用热浸铝。
对于细高设备而言，在受到风载时，底部截面的弯矩比其他任一截面的弯矩要大，设计需要的地脚螺栓数量较多，考虑地脚螺栓的间距和布置问题，所以裙座使用圆锥形筒体，裙座筒体的底面直径为700mm。
2 风振影响2.1 风振产生机理当设备受到风载时，筒体背面的两侧交替形成旋涡并以确定的频率从筒体表面脱落，在尾流中有规律的交错排列，形似“涡街”。
当旋涡脱落频率等于设备某一振型的自振频率时，设备会发生激烈振动，此现象属于一种诱导振动。
当排气筒承受风载，并符合以上条件时也会出现周期性的旋涡并诱发振动，严重时可导致设备的破坏。
2.2 排气筒的振动判别在GB50051—2013中采用雷诺数，同时加临界风速和烟囱顶部风速进行判别：（1）临界风速：V c1===4.26m/sV c1——第1振型的临界风速，m/s；d ——圆筒形结构的外径，m S t——斯脱罗哈数，对圆形截面结构或构件取0.2T1——结构或构件的1振型的自振周期，s 烟囱顶部风速：V H ==40=27 m/sV H ——结构顶部的风速，m/s；μ0——高度H处风压高度变化系数；w 0——基本风压，kN/m 2；所以，V H ﹥V c1时，可能发生第1振型共振（2）雷诺数：Re=69000Vd=69000x4.26x0.426 =1.25x105V ——计算高度处的风速，m/s，可取V ＝V c1当Re<3 x105时，一旦风振频率与设备的自振频率相符时，即发生亚临界的微风共振（3）结论：R e<3×105且V H ﹥V c1时，应在构造上采取防振措施或控制结构的临界风速。
7.4 顺风向风振和风振系数7.4.1对于基本自振周期T1 大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。
风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。
注:近似的基本自振周期T1 可按附录E 计算。
7.4.2对于一般悬臂型结构，例如构架、塔架、烟囱等高耸结构,以及高度大于30m，高宽比大于1.5 且可忽略扭转影响的高层建筑，均可仅考虑第一振型的影响，结构的风荷载可按公式(7.1.1-1)通过风振系数来计算，结构在z 高度处的风振系数βz 可按下式计算:式中ξ—脉动增大系数；υ—脉动影响系数；—振型系数；μz—风压高度变化系数。
7.4.3脉动增大系数，可按表7.4.3 确定。
注：计算时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62 和0.32 后代入。
7.4.4脉动影响系数，可按下列情况分别确定。
1 结构迎风面宽度远小于其高度的情况(如高耸结构等)：1)若外形、质量沿高度比较均匀，脉动系数可按表7.4.4-1 确定。
2)当结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化时，表7.4.4-1 中的脉动影响系数应再乘以修正系数θB 和θv。
θB应为构筑物迎风面在z 高度处的宽度Bz 与底部宽度B0 的比值；θν可按表7.4.4-2 确定。
2 结构迎风面宽度较大时,应考虑宽度方向风压空间相关性的情况(如高层建筑等):若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据总高度H 及其与迎风面宽度B 的比值，按表7.4.4-3 确定。
7.4.5振型系数应根据结构动力计算确定。
对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑,振型系数也可根据相对高度z/H 按附录F 确定。
顺风向结构风致响应公式推导0 引言近些年来，由于全球气候变暖,风灾变得更为频繁,在所有自然灾害中，风灾造成的经济损失已经跃居各种自然灾害之首。
每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿美元,而我国东南沿海地区又是受风灾影响比较严重的区域。
同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正在逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，国内外工程技术人员对建筑物的抗风设也计越来越重视。
在研究风对结构的作用时，一般将其分为平均风和脉动风。
本文主要讨论顺 风向的结构风致响应。
顺风向的结构风致响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。
我国建筑和在规范规定，对于高度高于30m 且高宽比大于1.5的房屋结构，对于基本自振周期不大于0.25s 的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应考虑到风压脉动引起的结构动力效应。
由于脉动风的卓越周期在一分钟左右，而高、柔、大跨度结构的基本周期也只在几秒这个数量级，因此结构愈柔，基本周期愈长，顺风向的风致响应就愈大。
目前关于结构顺风向风致响应的计算方法一般是基于加拿大Davenport 在20世纪60年代提出并不断发展完善的。
依据该方法，顺风向的结构总风致响应由平均风响应、脉动风响应组成，其中脉动风响应包括背景响应和共振响应。
图0-1（A ）表示了时域内的平均响应r 、背景响应B r 和共振响应R r ，图0-1（B ）表示了频域内的背景均方响应2B r 、前三阶共振均方响应21R r 、22R r 和23R r 。
下面主要探讨下单自由度和多自由度结构的顺风向风致响应。
图0-1 平均、背景和共振响应1 单自由度结构顺风向风振响应结构的自由度数等于确定其各部分位置所需参数的数目。
有很多结构，将其假定为单自由度结构，在计算其顺风向动力响应时能获得合力准确的计算结果。
在计算结构的顺风向响应时，仅考虑顺风向部分的湍流速度分量u ，其他湍流分量对结构的振动响应影响不显著。
中美标准顺风向风载计算比较刘天英;张晗;段英连【摘要】为了解美国标准顺风向风载作用计算,对中国标准GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》及美国标准ASCE/SEI 7-10《建筑物及其他构筑物最小设计荷载》两部标准中顺风向荷载作用计算进行介绍.通过对顺风向风压作用的风压高度变化系数、体型系数、风振系数等对比分析,进一步探讨中美标准各系数的差别.通过具体算例比较中美标准风载的大小,结果表明:对于同一场地无论刚性建筑还是柔性风敏建筑,基于美国标准的风载计算值均高于基于中国标准的风载计算值.【期刊名称】《吉林电力》【年(卷),期】2015(043)006【总页数】5页(P4-7,15)【关键词】中美标准;顺风向风载;计算方法【作者】刘天英;张晗;段英连【作者单位】中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春130021【正文语种】中文【中图分类】TU312.1随着中国“走出去”战略的大力实施，国内工程公司开始在一些相对发达的国家或地区承揽项目。
这些项目有的在标书中直接要求采用美国标准设计，有的公司聘请美国咨询工程师进行图纸确认。
美国咨询工程师熟悉美国标准（以下简称美标），不了解中国标准（以下简称中标），而中国工程设计人员熟悉中标，这就阻碍了图纸的确认。
为便于交流并顺利执行项目，了解美标非常必要，另外，越来越多的国外项目采用美标设计。
风载为作用在建（构）筑物上的基本荷载之一，控制建（构）筑物的安全。
风载进一步细分为顺风向风载（平行于风向）、横风向风载（垂直于风向）和扭转风载。
顺风向风载在结构设计中最常遇到，所以有必要对中美标准顺风向风载的计算进行对比，找出差异并分析对结果的影响。
1 顺风向风压美标ASCE 7－10《建筑物及其他构筑物最小设计荷载》对于封闭和部分封闭刚性建筑的主要受力体系设计风压为：p＝qGCp－qiGCpi式中：q为风速压力；G为刚性结构阵风系数；Cp为外部压力系数；Cpi为内部压力系数；qi为内压。
第2章风振系数计算2.1 引言在随机脉动风压的作用下，高耸结构会产生随机振动，除了顺风向的风振响应外，结构还会产生横风向的风振响应。
但在通常情况下，对于非圆截面，顺风向风振响应占据主要地位，对于一般的塔架结构，可以忽略横风向共振的作用[13]。
因此，本章主要研究输电塔结构在随机风荷载作用下的顺风向风振系数的计算。
作用于结构物上的脉动风荷载对结构产生的动力响应与结构物本身的动力特性有关。
当结构物刚性很强时，由脉动风所引起的结构物风振惯性力并不明显，可以略去，但需要考虑由脉动风所引起的瞬时阵风荷载；当结构物刚性较外，还应计及风振惯性力的大小，即风弱即为柔性结构时，除静力风荷载()z振动力荷载。
如果风振动力荷载用(,)d z t ω表示，则柔性结构物的总风荷载(,)W z t 表达如下[4]：(,)()(,)d W z t z z t ωω=+ （2－1）工程计算中，常采用集中风荷载的表达式，则式（2－1）改写为()()()c d P z P z P z =+ （2－2a ）或i c id P P P =+ （2－2b ） 式中，()P z ，i P —— 顺风向z 高度处第i 点的总风荷载（kN ）；()c P z ，ci P —— 顺风向z 高度处i 点总静力风荷载（kN ）； ()d P z ，di P ——顺风向z 高度处i 点风振动力荷载（kN ），其中()()d d z P z z A ω=，或()()d i d i iP z zA ω=。
在这里，()z i A A 为z 高度（第i 点）处相关的迎风面竖向投影面积（m 2）。
本章下面将讨论风振动力荷载的计算原理和表达式，以及可在实际输电塔设计中应用的风振系数的计算方法。
2.2 顺风向风振系数的计算方法2.2.1结构风振随机振动理论[4][10][7]风荷载是输电塔结构的各类荷载中起主要作用的荷载，由静、动两部分风荷载组成，动力风荷载即脉动风是一种随机动力干扰，引起结构的振动。
30米钢烟囱安装计算书烟囱形式：直径2700毫米，高30米，基础顶至10米标高采用φ2700×14的钢管，上段采用φ2687×12钢管，计算时将烟囱按标高分为0-10米，10-15米，15-20米，20-30米共四段。
一、有关几和参数：见下表：几何参数、风压高度变化系数和脉动影响系数标高(米) 外径B(米)形心高度z (米)风荷载作用面积(平方米)形心处的外径(米)z/H高度变化系数脉动影响系数30 2.687 24.55 21.241 2.687 0.967 1.40 0.824 20 2.687 18 14.09 2.687 0.734 1.21 0.824 15 2.687 13 14.09 2.687 0.556 1.08 0.824 10 2.700 5.5 27 2.700 0.289 1.01 0.824 0二、风荷载体型系数：总高度为30米，平均直径为近似可按2.7米，μzω0d2=μz×0.6×2.72=4.4μz，地面粗糙度类别为B类，所以μz≥1.0，得μzω0d2>0.015，H/d=30/2.7=11.1，又因此钢烟囱表面“光滑”，所以可得μs=0.6+(0.5-0.6)/(7-25)×(10.8-25)=0.52三、风载的高度变化系数地面粗糙度类别为B类，查《建筑结构荷载规范》表7.2.1,得各高度处的风压高度变化系数μz见上表。
四、风振系数根据《建筑结构荷载规范》7.4.2 条，知本烟囱可只考虑第一振型的影响，顺风向风振系数可按βz=1+(ξνφz)/μz计算。
查《建筑结构荷载规范》附录E 结构基本自振周期的经验公式得烟囱基本自振周期为T1=0.011H=0.011×30=0.33s>0.25s，故需要考虑顺风向风振影响。
由ω0T12=0.6×0.33×0.33=0.065kNs2/平方米，查得脉动增大系数ξ＝1.69+(1.77-1.69)/(0.06-0.04)*(0.065-0.04)=1.873。
钢烟囱设计中橫风向风振效应的控防摘要：通过理论分析和计算，对自立式钢烟囱的橫风向风振问题进行探讨，研究钢烟囱橫风向风振的区域和振动规律，并提出解决烟囱晃动的方法。
关键词：钢烟囱；橫风向风振；设计；控制钢烟囱上有风荷载作用时，会在烟囱两侧背后产生交替的漩涡，且将由一侧然后向另一侧交替脱落，形成卡门涡列，卡门涡列的发生会使建筑物表面的压力呈周期性变化，作用方向与风向垂直，称为横风向风振，振动伴随着漩涡的出现而产生强迫振动，一旦振动增强，又会有由振动控制的涡流发生，结构发生剧烈共振，表现出自激振动的特性。
钢烟囱发生横风向风振现象在实际工程中时有发生，特别是烟囱刚度较小时，临界风速一般小于设计的最大风速，因此，临界风速出现的概率较大，一旦临界风速出现，涡流脱落的频率与烟囱的自振频率相同，烟囱就会发生横风向共振。
橫风向风振带来的危害很大：1)由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力；2)由于风振反应发生的频度较高，有可能使结构产生疲劳效应。
1 横风向风振的相关公式根据GB 50051—2013《烟囱设计规范》，对于直立式钢烟囱，当其坡度小于或等于2%时，应根据雷诺系数的不同情况进行橫风向风振验算：Re=69 000vd(1a)(1b)(1c)式中：vcr,j为第j振型临界风速，m/s；vH为烟囱顶部H处风速，m/s；v为计算高度处风速，m/s，计算烟囱筒身风振时可取v=vcr,j；d为圆形杆件外径，计算烟囱筒身时，可取烟囱2/3高度处外径；St为斯托罗哈数，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》可取0.2；Ti为结构或杆件的第j振型自振周期，s；uH为烟囱顶部H处风压高度变化系数；w0为基本风压，kPa。
根据GB 50051—2001《烟囱设计规范》，等截面自立式钢烟囱自振周期：(2)式中：Ti为第i振型的周期，s；H为烟囱总高；Et为在温度作用下的钢材弹性模量，kN/m2；I为筒身下端截面惯性矩，m4；g为重力加速度，取9.8 m/s2;W为筒身底部单位长度重量，kN/m；C1为与振型有关的系数：第1振型取3.515，第2振型取22.034，第3振型取61.701。
某会展中心建筑表面风压分布的数值模拟赖志平;汪新【摘要】基于ANSYS-CFX 13.0软件平台,采用SST湍流模型对某会展中心16个风向角下表面风压场进行了三维数值模拟,并利用自编程序对模拟结果数据进行处理,得到表面分块体型系数.结果表明,附近的干扰建筑物影响了会展中心周围的风场和表面风压,同时数值结果符合钝体绕流规律,可供实际工程采用.分别用简化公式和日本规范建议公式对建筑风振系数进行了估算,建议设计时采用日本规范建议公式计算结果.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2014(031)002【总页数】7页(P78-84)【关键词】数值模拟;ANSYS-CFX 13.0软件;风压分布;体型系数;风振系数;会展中心【作者】赖志平;汪新【作者单位】广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】U312本会展中心结构跨度较大，体型复杂，风荷载已成为控制荷载，此时风荷载体型系数已不能根据规范直接取值［1］.风洞试验和数值模拟都能够得到建筑表面风压体型系数，但风洞试验较耗时［2-4］.本文基于 ANSYS-CFX 13.0软件平台对该会展中心进行风压数值模拟.由于该建筑所有的门都是内外两层，被吹开的概率较小，因此仅考虑门洞关闭的情况.根据规范对建筑表面进行分块［5］，用自编程序处理数据得到各风向角下分块风压体型系数的平均值、最大值和最小值，进而综合得到全风向下建筑表面风压体型系数的分块设计值.1 工程概况该工程建筑场地粗糙度类别为B类，由3个新展馆和旧馆组成，长、宽、高分别为225、155、14 m.建筑计算模型见图1.2 结构风洞数值模拟2.1 模拟工况根据该工程建筑体型及布置，考虑了周围建筑物对建筑表面风压干扰的影响，对建筑在全封闭情况模拟了风向角为0°、22.5°、45°、67.5°、90°等 16个工况.模拟过程中风向角定义如图2所示.图1 建筑计算模型Fig.1 Building calculation model图2 风向角定义图Fig.2 The definition of the wind azimuths2.2 计算域和边界条件的确定计算域设定:在数值风洞模拟中，为了不扰动气流条件，保证湍流充分发展，计算域应设置得足够大［6］.本模拟以建筑高度 H(14 m)为参照，入流面设在网壳迎风面前6H处，出流面在背风面后20H处，两边各距建筑最近墙面3H，计算域高取6H［7］，如图3所示.图3 流域尺寸图Fig.3 The scale of the fluid domain湍流模型的选择:标准k－ε湍流模型鲁棒性好和精度合理，但其ε方程预测边界面上的流体分离现象太晚;k－w湍流模型在近壁区表现较好且稳定性强，但对入流条件非常敏感［6，8］.SST 湍流模型引入一个混合函数F1，使两个湍流模型可以根据距壁面的距离和流体变量进行切换［9-11］，即在近壁区采用k－w湍流模型，而在远壁区则采用标准k－ε湍流模型.这样，可以结合两种湍流模型的各自优点，从而提高模拟精度.因此，本次模拟采用SST模型.流域各边界条件的采用具体如表1所示［7］.其中SST模型所要求的入流边界条件如下.平均风速剖面［12］:其中湍流强度Iu采用日本规范取值［5］:表1 各边界类型及条件Tab.1 Boundary types and corresponding boundary conditions边界类型边界条件入流边界 Dirichlet 边界条件出流边界零压力梯度边界条件侧向流体边界对称边界条件顶部流体边界对称边界条件固体边界无滑移光滑壁2.3 网格划分本次模拟采用非结构网格单元，以四面体网格为主，同时在壁面附近适当布置棱柱体网格.首先设置网格单元基本参数，由ICEM软件自动划分，然后经过网格编辑功能修改网格，最终生成符合模拟条件的网格［13］.为了确保近壁面网格能够捕捉到边界层内平均风速法向梯度的变化，在近壁面设置了15层棱柱体网格.棱柱体网格第一层高度为0.1 m，高度膨胀率为1.2，共15层.为了控制计算的收敛速度，将总网格数控制在400万上下，网格质量控制在0.4以上［14］.流域整体网格划分如图4所示，建筑表面局部网格如图5所示.图4 流域网格划分图Fig.4 The meshes of the fluid domain图5 建筑物局部表面网格划分图Fig.5 The meshes of the building surfaces2.4 计算域初始化计算域采用均匀入流条件:U=20 m/s，V=W=0 m/s，湍流场的初始化设置则为软件默认设置.2.5 求解控制为了保证计算结果的精度，将求解变量的均方根残差平均值(RMS值)的收敛目标设为10－4，将求解变量在计算域内整体不平衡目标设为低于5%.3 数值模拟结果及数据处理分析3.1 计算流域内的风速分布部分x－y平面风速矢量图如图6～图9所示.图6 0°风向角时z=3 m高度处x-y平面的风速分布矢量图Fig.6 Wind speed vectors at 3 m height x-y plance on the 0 degree wind azimuths图7 112.5°风向角时z=3 m高度处x-y平面的风速分布矢量图Fig.7 Wind speed vectors at 3 m height x-y plance on the 112.5 degree wind azimuths 图8 180°风向角时z=3 m高度处x-y平面的风速分布矢量图Fig.8 Wind speed vectors at 3 m height x-y plance on the180 degree wind azimuths图9 270°风向角时z=5 m高度处x-y平面的风速分布矢量图Fig.9 Wind speed vectors at 5 m height x-y plance on the 270 degree wind azimuths3.2 建筑物表面的风压体型系数当数值模拟计算出建筑物表面风压分布以后，在CFX后处理过程中通过自定义的CEL(CFX Expression Language)变量将建筑物表面风压转换为建筑物表面风压体型系数显示及输出，并通过自编程序计算出建筑物表面各分区的最大、最小和平均体型系数.按定义，建筑物表面任一点体型系数为建筑物表面该点净风压wi与其上游自由流风速压之比［5，15］:式中，μsi是建筑物表面第i点所在位置的体型系数，wi是该位置上计算表面风压值(压力为正，吸力为负)，ρ为空气密度，U(z)为平均风速剖面.从实际设计的需要考虑，本数值模拟结果通过分析其风压表面分布规律并结合国内外规范，对建筑物表面体形系数进行了分区处理［5］，图10为屋面分区结果.对任一给定区域分别给出区域平均体型系数、区域最大体型系数和区域最小体型系数. 图10 屋面体型系数分区图Fig.10 The parts of the shape coefficient on the roof(1)封闭区域平均体型系数μs，Ai由该区域各点体型系数平均获得:式(5)中，μsj和nAi分别为分区面积Ai内第 j点体型系数及区域内总体型系数的数据总数.(2)对于雨棚及外露楼板，构件的上下表面同时受到风压作用，总风压为上下表面风压之差，据此可定义出区域整体体型系数(3)在实际工程覆面设计时，需要知道各区域内体型系数的最大或最小值.因此，区域最大体型系数和区域最小体型系数分别表示为图11及图12分别为0°风向角及22.5°风向角工况的建筑物表面体型系数等值线图.图11 0°风向角屋面体型系数等值线图Fig.11 The contour of shape coefficient of the roof on the 0 degree wind azimuths图12 22.5°风向角建筑物表面体型系数等值线图Fig.12 The contour of shape coefficient of the roof on the 22.5 degree wind azimuths3.3 建筑物周围流场及表面风压分布规律从风速矢量图(图6～图9)可以看出，受模拟建筑物南北侧干扰建筑物的影响，模拟建筑物周围风速场与孤立工况有较明显的不同;如果模拟建筑物位于干扰建筑物的尾流影响区，作用到模拟建筑物的风向将发生改变，同时由于干扰建筑物的遮挡作用，风速减小;而尾流干扰区以外的风速则略有增大，特别是当风向角为0°和180°时，模拟建筑物南北两侧产生“巷道风”，风速均明显增大.受模拟建筑物周围风速场的影响，模拟建筑物外表面的风压分布表现出以下特点: (1)对于各模拟工况，屋盖迎风边缘均出现超过－1.00的负值体型系数(吸力)，其体型系数绝对值向下游逐渐减小，在下风尾部区域的体型系数接近零或为较小的正值(压力).其中，当建筑物斜对来流时，在屋盖迎风角区出现的负压值一般最大. (2)对于迎风墙面，当墙面正对来流时均为正压作用，其分布为两侧小、中段大;背风面墙面均为负压.(3)在各工况下，屋盖南向屋面3块小山墙及横向通道两侧墙面均为负压.(4)工况中正值最大体型系数均出现西墙面入口的内凹部分，可达1.36(正对来流的0°风向角);负值最大体型系数出现在A区屋盖西北角区，可达－1.88(风向角67.5°).4 风振系数近似计算根据荷载规范GB50009-2001［1］，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按式(8)计算.风振系数的计算在规范中有如下说明:对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的房屋和基本周期T1大于0.25 s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响.风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算［1］.按照以上说明并结合本工程情况，可得出:(1)主体竖向结构可以不考虑风振的影响;(2)屋盖由于跨度较大、自振周期较长，需进行风振随机振动分析以确定风振系数. 通常，屋盖结构的风振随机响应可以通过时程分析或频域分析获得，但前提是需要建立完整的结构动力分析模型，以及供随机时程分析的结构表面风压时程或供随机频域分析的脉动风压自谱和互谱，一般需要由通过刚性模型风洞试验中采集的脉动风压时程为基础，且所需的时间较长和工作量较大，因此本项目没有进行类似的分析.考虑到实际设计需要，在本项目中笔者采用简化公式和日本规范中相应的公式对其屋盖结构的风振系数进行了估算，具体如下.4.1 按简化公式估算屋盖结构风振系数风振系数的计算采用以下简化方法进行:首先将屋盖结构简化为沿屋架方向分布的若干条带，每一条带按均匀质量分布考虑，各条带的支座条件均为简支.研究表明，垂直方向振动对屋盖结构风振系数的贡献在90%以上，因此屋盖的风振系数可按图13 所示的简化模型计算［1，5］.图13 屋盖风振系数计算简图Fig.13 Calculation diagram of wind vibration factor of the roof如只考虑计算条带第一振型(对应实际结构第四振型)的影响，其风振系数可按式(9)计算.式(9)中，各项系数的意义和表达式如下:(1)脉动增大系数为式(10)中，第一振型阻尼比ζ1假定为0.01，w0为基本风压，T1=0.502 s为结构基本自振周期.(2)脉动影响系数为式(11)中，μs和μz分别为体型系数和高度变化系数;l(x)为计算条带在x坐标位置宽度;m(x)为质量分布密度;ηx 为空间相关折算系数，近似取为为z高度处带保证系数的脉动系数，对于B类地貌(α=0.16)，可以表示为:将式(10)～(13)代入式(9)中，得到简化计算公式结合本建筑屋盖各区域的动力特性和结构尺寸及位置，按式(14)计算出屋盖各条带上沿x方向(即屋盖跨度方向)分布的风振系数见表2.表2 按简化方法估算风振系数结果Tab.2 The results of wind vibration factor by the simplified methodl(x)/m A区/B区屋盖C 区屋盖L/m ξ1 μf γ η φ(x) 风振系数L/m φ(x)风振系数0 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 10 1.000 000 000 39 0 1.000 000 000 3 75 2.903 699 576 0.473 254 7121.273 239 545 1 0.125 333 234 1.219 292 102 39 0.239 315 664 1.418 724 018 6 752.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.248 689 887 1.435 125 837 39 0.464 723 172 1.813 113 317 9 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.368 124 553 1.644 097 377 39 0.663 122 658 2.160 247 426 12 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.481 753 674 1.842 911 117 39 0.822 983 866 2.439 952 172 15 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.587 785 252 2.028 431 645 39 0.935 016 243 2.635 972 132 18 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.684 547 106 2.197 733 192 39 0.992 708 874 2.736 915 338 21 75 2.903 699576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.770 513 243 2.348 145 770 39 0.992 708 874 2.736 915 338 24 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.844 327 926 2.477 297 285 39 0.935 016 243 2.635 972 132 27 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.904 827 052 2.583 150 939 39 0.822 983 866 2.439 952 172 30 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.951 056 516 2.664 037 357 39 0.663 122 658 2.160 247 426 33 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.982 287 251 2.718 680 911 39 0.464 723 172 1.813 113 317 36 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.998 026 728 2.746 219 841 39 0.239 315 664 1.418 724 018 39 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.998 026 728 2.746 219 841 39 1.22 515E-16 1.000 000 000 42 75 2.903 699 576 0.473 254 7121.273 239 545 1 0.982 287 2512.718 680 911 平均: 2.029 274 915 45 752.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.951 056 516 2.664 037 357 48 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.904 827 052 2.583 150****1752.9036995760.4732547121.27323954510.844327926 2.477 297 285 54 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.770 513 243 2.348 145 770 57 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.684 547 106 2.197 733 192 60 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.587 785 252 2.028 431 645 63 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.481 753 674 1.842 911 117 66 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.368 124 553 1.644 097 377 69 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.248 689 887 1.435 125 837 72 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 0.125 333 234 1.219 292 102 75 75 2.903 699 576 0.473 254 712 1.273 239 545 1 1.22 515E-16 1.000 000 000平均:2.069 624 8754.2 按日本荷载规范建议公式估算屋盖结构风振系数日本荷载规范［16］中给出了用于确定结构小斜度平矩形屋盖结构构架的屋面风荷载计算方法:对于满足条件(n0H)/UH＜1.5(式中:n0为屋盖第一自振频率，H为参考高度，UH为设计风速)的大跨度相对柔性的建筑物其阵风影响系数(即风振系数)按式(15)确定:其中:式中，gpe为峰值因子，rpe为压力脉动系数，IH为参考高度的湍流强度，L为屋面梁跨度;b为投影宽度;Bpe为背景激励系数;Rpe为共振系数;ηf为第一振型临界阻尼比.由以上公式所估算的各区屋盖风振系数见表3.表3 风振系数估算结果Tab.3 The results of wind vibration factors屋盖 H L b U10 UH IH n0 n*0 ηf gpe r pe Bpe Rpe Gpe平行垂直平行垂直平行垂直A 区 13.5 75 9 33.466 35.113 0.198 1.04 0.340 0.02 2.537 0.276 0.088 0.213 0.249 2.816 1.407 2.220 B 区 13.5 75 9 33.466 35.112 0.198 1.04 0.340 0.02 2.537 0.276 0.088 0.213 0.249 2.816 1.407 2.220 C 区 13.5 39 9 33.46635.113 0.198 1.04 0.340 0.02 2.537 0.276 0.153 0.294 0.663 4.752 1.6332.575综合以上分析，按日本规范建议公式估算的风振系数比按简化公式估算的结果约大10%左右，建议设计按此取用.5 结论采用ANSYS-CFX专业计算流体力学软件包对本工程建筑物表面风压分布进行了16种工况的数值模拟.模拟结果以各工况典型风速矢量图、建筑外表面体型系数等值线图以及分区体型系数汇总表等形式表示.数值模拟结果显示:由于本工程建筑物体型较大且受到周围干扰建筑的影响，表面风压分布与孤立建筑物情况有很大不同，由于与东向原有建筑物连接以及受南北两侧干扰建筑物的遮挡作用，作用在屋面上的风荷载值有所降低，而对墙面上的风压分布影响不大.通过参照日本规范及简化方法对屋盖风振系数进行了估算，结果表明:由于本工程建筑总高度较低，风压脉动影响相对较大，导致两种方法对屋面桁架垂直风向时所估算的风振系数均大于2.0，可供实际设计参考.参考文献:［1］中华人民共和国建设部.GB50009-2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.［2］刘锡良，周颖.风荷载的几种模拟方法［J］.工业建筑，2005，5(35):81-84.Liu X L，Zhou Y.Numerical simulation methods of wind load［J］.Industrial Construction，2005，5(35):81-84.［3］丁义平.空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究［D］.上海:上海交通大学，2009.［4］杨波.高层、大跨结构风压分布特征的数值模拟与分析［D］.南京:东南大学，2005.［5］黄本才.结构抗风分析原理与应用［M］.上海:同济大学出版社，2001.［6］王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.［7］汪新.计算模拟建筑物对近源大气污染物扩散的影响［J］.广东工业大学学报，2007，24(2)，51-55.Wang X.Numerical simulation of the plume dispersion influenced by the nearby building［J］.Journal of Guangdong University of Technology，2007，24(2)，51-55.［8］高学平.高等流体力学［M］.天津:天津大学出版社，2005.［9］Menter F R.Zonal two equation k-to turbulence models aerodynamic 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