高层建筑围护结构面积平均风压的研究介绍

梁 益

1 概述

风荷载是控制围护结构设计的主要荷载。工程中常常直接采用围护结构上某个测点的最不利风压进行围护结构设计。但作用在结构上的风压并不是完全相关的，这导致总的风荷载作用效果将随围护结构尺寸的增大而减小，这种现象称为围护结构风压的面积平均效应[1]。因此，完全采用测点极值风压来进行围护结构的设计可能导致过分保守的结果[2]。特别是在现代高层建筑中，幕墙结构通常具有较大的面积，面积平均效应可能较为明显。为了安全而经济地设计这些大型围护结构，风荷载的面积平均效应是一个值得深入系统研究的课题。

本文归纳和介绍了目前研究高层建筑围护结构风压面积平均效应的主要方法及相关成果，并总结了主要规范中的相关规定，以供我国相关研究和设计人员参考。

2 主要研究成果

2.1 直接平均法以及风压折减因子

面积平均风压极值的折减程度可用折减因子kp表示[11]:

其中，Cp，min(A)和 Cp，max(A)分别为作用面积为 A m2的围护结构的面积平均风压的极小值和极大值;Cp，min(1)和 Cp，max(1)分别为作用面积为1 m2的围护结构的面积平均风压的极小值和极大值。

折减因子可通过直接平均法获得[4]:通过同步测压得到测点的风压时程，并对这些时程按面积加权进行瞬时相加后便可获得测点所在区域内的面积平均风压的时程，进而得到面积平均风压的极值及其折减因子。

目前，直接平均法在高层建筑的研究成果和规范应用较少[4]。ASCE7-02[12]以及NBCC2005[13]中均只是简单地将高层建筑墙面划分为边缘和内部两个区域(见图1)。文献[4]通过风洞试验得到了上述两个区域内的面积平均风压极值折减图。图2给出了由文献[4]的部分结果、ASCE7-02中相关规定换算得到的极值负压折减因子以及中国建筑结构荷载规范规定的折减因子。

2.2 风压相关性分析

2.2.1 地貌的影响

根据文献[6][8]的研究，当上游地貌粗糙度增加时，高层建筑侧面的风压受斯脱罗哈频率主导的效应显著减小，风压频率分布在更广泛的区域。同时地貌粗糙度增加时分离气泡区变短，分离流附着点向建筑表面的上游移动。而分离气泡区内的风压受斯脱罗哈频率主导，相关性较强;再附着区域内风压则相关性较弱。因而地表粗糙度的增加使得高层建筑侧面的风压相关性变弱，空间折减效应增加。

2.2.2 建筑外形尺寸的影响

对于高层建筑而言，截面长宽比对墙面风压分布(特别是建筑侧风墙面的风压分布)的影响是显著的。文献[15]研究了大量不同长宽比的矩形截面柱各个墙面0.8H高度处水平向的风压相关性。结果表明，对于迎风面，随着建筑宽度的增加，测点之间风压相关性变弱。对于侧风面，风压相关性与来流分离、再附着以及再分离的过程有关，建筑截面的长宽比将影响这个过程的发生。

2.2.3 围护结构位置的影响

高层建筑墙面围护结构风压的折减程度受该围护结构所在位置的影响较为复杂。一般来说，侧面的风压相关性要强于迎风面，而迎风面的风压相关性要强于背风面。受来流分离、再附着以及再分离的影响，侧面不同区域的风压相关性是不同的[6，15]。同时，由于三维绕流效应，建筑中部区域的风压相关性要强于建筑顶部和建筑底部[6]。

2.3 移动平均法

对某个测点的风压时程进行移动平均处理后计算得到风压峰值，并以此来代替该测点所在区域内对应面积的面积平均风压峰值，该方法称为移动平均法[10，16]，用公式表示为:

其中，T为移动平均时长;V为来流平均风速;L为结构的特征尺寸，一般取围护结构的对角线长度;K为与相干函数有关的常数。

根据文献[18]的实测结果，K的取值与高层建筑表面的位置以及来流特征密切相关。文献[17]认为可取K=4.5作为一个合适的代表值。而文献[16]则认为应采用移动平均滤波器对气动导纳函数曲线进行拟合来得到K值。通过计算，文献[16]建议K取1.0。

3 规范应用简介

3.1 北美规范[12，13]

美国ASCE7-02中规定了各类建筑的围护结构的极值风压。对于高度大于60ft的矩形截面的高层建筑，规范将建筑墙面划分为边缘和内部两个区域，并给出了各区域极值风压随面积衰减的曲线。加拿大NBCC2005中的相关规定与ASCE7-02类似。

3.2 澳大利亚新西兰规范[19]

AS/NZS 1170.2中采用面积折减因子Ka局部压力因子Kl的组合来考虑围护结构表面风压的面积平均效应。Ka考虑风压作用于较大面积区域时的折减，用于主体结构和围护结构的设计，Kl则考虑风压在较小面积区域上相对较好的相关性，只用于围护结构设计。规范中对低矮和高层建筑均提供了详细的规定。

3.3 其他规范[14]

除上述规范外，其他主要国家的风荷载规范均没有针对高层建筑围护结构风压面积平均效应的规定。其中中国建筑结构荷载规范(2006年)中规定了围护构件的局部风压体型系数μsl(1)，适用于围护构件的从属面积 A≤1 m2。当围护构件的从属面积A≥10 m2时，局部风压体型系数 μsl(10)可乘以折减系数0.8。当构件的从属面积1 m2＜A＜10 m2时，可按面积的对数线性插值。

4 结语

围护结构风压的面积平均效应对于合理地进行高层建筑结构设计十分重要。目前的研究基本以风压相关性分析为主，研究者对地貌、建筑外形参数、围护结构位置等主要影响因素均进行了考虑，但缺乏对应于围护结构尺寸范围的风压相关性分析和便于工程应用的成果。可参考已有的研究成果，采用直接平均方法对高层建筑围护结构风压的面积平均效应展开研究，得到面积平均因子等便于规范吸纳采用的成果。另外，对于移动平均法中相关参数的取值仍存在较大争议，应对该方法展开仔细研究并在实际工程中予以应用，以利用有限试验结果来获得足够信息。

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