立轴风力机在风载作用下对不同结构形式的影响

杜宇 周元

(1．四川华铁钢结构有限公司，四川成都 610000;2．四川省高标建设工程有限公司钢结构分公司，四川成都 610041)

1 工程简介

背景工程项目结构形式为框架结构，位于四川省成都市，其底层层高5m，其余标准层层高3m，共计20层，项目抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0．10g，场地类别为第三组。地面粗糙程度为B类，基本风压为0．3kN/m2，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级。于建筑四角布置立轴式风力机。

立轴式风力机轴承设计为100mm直径的圆形钢材，风力机叶片为玻璃钢材质，呈半圆形状，直径1．5m。将实际弯曲型风力机叶片等效成长宽均为2m、厚度为50mm的矩形板。建筑及安装风力机后的建筑平面布置图如图1，图2所示。

图1 混凝土结构平面图（一）

图2 混凝土结构平面图（二）

2 结构计算及结果分析

结构采用有限元分析计算软件ANSYS 12．0版本建模并做线弹性分析。建模过程中，定义钢材与混凝土均被视为各向同性线弹性材料，根据GB 50009-2012建筑结构荷载规范中对材料属性的规定，钢筋混凝土构件及钢结构构架均采用刚度EI等效的整体式模型，各项材料参数和选用单元如表1所示。

表1 各项材料参数和单元选取

结构计算时的基本风压按荷载规范中100年基准期取值，分别选取风压为 0．35 kN/m2，0．55 kN/m2，0．75 kN/m2，0．95 kN/m2，1．15 kN/m2，1．35 kN/m2，六种不同风压按照等效集中力施加在节点上进行等效静力荷载计算，通过对六种不同风压下水平静力荷载作用下静力计算，比较两种不同结构形式的计算模型在不同风荷载作用下的不同变形反应，该计算模型的层最大位移、最大层间位移和最大层间位移角如图3～图8所示。

图3 混凝土结构楼层最大位移图

图4 钢结构楼层最大位移图

从图3～图8可以看出，随着风压的增大，在两种不同结构同一楼层上产生的最大位移、层位移差及层间位移角都会增大，当风压达到最大值1．35 kN/m2时，混凝土结构位移达到最大值55．810 mm，钢结构位移达到最大值为72．810 mm，混凝土结构层位移差最大值为5．365 mm，钢结构层位移差最大值为6．634 mm，混凝土结构层间位移角最大值为0．001 42，钢结构层间位移角最大值为0．001 51，均满足规范要求。

3 结语

图5 混凝土结构最大层间位移图

图6 钢结构最大层间位移图

图7 混凝土结构最大层间位移角图

图8 钢结构最大层间位移角图

通过对整体结构的分析和计算，找出了结构的薄弱部位，也为原有建筑结构方案选型提供了理论参考，同时对比两种结构形式，结构的整体变形主要是弯曲变形。由于风力机的存在，安装风力机的位置结构局部存在薄弱部位，针对薄弱部位，加强刚度和构造措施，方能保证结构安全。

在经济条件允许的情况下，建议采用钢框架结构，因为在建筑整体刚度相同和构件不屈服的前提下，钢构件拥有更好的弹性变形能力，能应对极端风荷载条件下的变形。

［1］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］．

［2］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］．

［3］钢结构设计手册编委会．钢结构设计手册(上下册)［M］．第3版．北京:中国建筑工业出版社，2004．

［4］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］．

［5］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］．

［6］JGJ 99-98，高层民用建筑钢结构技术规程［S］．