钢塔桅高耸结构风荷载计算方法对比分析

王欣朋 杨 新 付举宏 张 海 李 鹏

(中广电广播电影电视设计研究院塔桅所，北京 100045)

钢塔桅高耸结构风荷载计算方法对比分析

王欣朋 杨 新 付举宏 张 海 李 鹏

(中广电广播电影电视设计研究院塔桅所，北京 100045)

对《建筑结构荷载规范》2012版和《钢塔桅结构设计规范》2004版两本规范中风荷载的取值进行了对比，通过算例，了解了两版规范对风荷载的影响，为以后的工程设计提供了参考依据。

高耸结构，风荷载，规范对比，风压高度变化系数

近年来，随着我国经济的不断发展，城市化进程不断加快，越来越多钢结构的广播电视发射塔、观光塔等高耸结构拔地而起，类似高耸结构高度越来越高，造型越来越奇特。风荷载作为高耸结构的设计控制荷载之一，直接关系到结构的安全性和经济性，本文对《建筑结构荷载规范》2012版和《钢塔桅结构设计规范》2004版两本规范中风荷载的取值进行对比，通过算例了解两版规范对风荷载的影响，为以后的工程设计提供建议和指导。

1 风荷载计算理论

《建筑结构荷载规范》2012版计算等效静力风荷载采用的是第一振型的惯性风荷载法，采用以背景响应系数B和共振响应系数R来反映脉动风主要动力特性的表达形式，这样表达使得概念比较明确。《钢塔桅结构设计规范》将风荷载作用分为平均风和脉动风两部分，脉动风考虑了多阶振型共同影响的结果。

2 高度变化系数

《钢塔桅结构设计规范》2004版中的风高度变化系数引用的是旧版的《建筑结构荷载规范》，所以只划分了3个粗糙度，而随着国内城市的发展，使得城市地貌下的大气边界层厚度与原来相比有所增加。《建筑结构荷载规范》 2012版在划分了4个粗糙度的情况下，适当将B类地貌风剖面指数从0.16调整到0.15，将C场地梯度风高度从400 m提高至450 m，D场地的梯度风高度为550 m，从而降低了各类场地风压高度变化系数，具体情况详见表1。

表1 风剖面指数对比表

风高度变化系数的计算公式：

其中，α和HG分别为风剖面指数和梯度风高度；αb和HG,b分别为B类地貌风剖面指数和梯度风高度,详见表2。

3 风荷载的表达形式

《建筑结构荷载规范》2012版：

风荷载的作用公式：

F=wkAf

(1)

其中，wk为风荷载标准值；Af为挡风面积。

风荷载标准公式：

wk=βzμsμzw0

(2)

其中，βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。

表2 风压高度系数对比表

《建筑结构荷载规范》2012版中的风振系数采用共振响应因子和背景响应因子的形式表达：

(3)

(4)

(5)

其中，g为峰值因子；Bz为背景响应因子；I10为10 m高度名义湍流强度；R为共振响应因子。

规范中计算脉动风荷载时只考虑了第一振型的影响，这种情况适用于质量和刚度沿高度均匀变化，对于不属于这种情况的结构，荷载规范中给出的公式就不能简单套用了，因为规范中给出的参数是在质量和刚度均匀变化时计算得出的。

《钢塔桅结构设计规范》2004版是适用于广播电视行业的钢塔、钢桅杆结构设计的行业规范，在计算脉动风荷载时本规范考虑了多个振型的影响。

风荷载的作用效应，应按下式确定：

S=γSSS+γdSd

(6)

(7)

其中，S为风荷载作用效应；SS为平均风作用效应；Sd为脉动风作用效应；Sdj为脉动风载j振型作用下的动力效应，振型数m可取3个；γS,γd均为分项系数，一般取1.0。作用于结构i质点平均风力标准值：

Psi=wkiAi

(8)

wki=μsμzw0

(9)

作用于结构第i质点第j振型的脉动风标准值：

Pdji=MiYjiξjvjηj

(10)

(11)

其中，Pdji为j振型i质点的脉动风标准值；Mi为结构第i质点的集中质量；Yji为第j振型第i质点的水平相对位移；ηj为结构第j振型的参与系数；vj为结构第j振型的空间相关系数；mi为第i质点风荷载的脉动系数。

4 算例

4.1 单管塔计算

圆形截面单管塔计算参数见图1，其示意图见图2，高度42 m，场地类别为B类，基本风压0.45 kN/m2，离地高度1 m，在标高38，35，32，29处有平台的集中质量，周期T1=1.68 s，T2=0.338 s,T3=0.138 s。

4.2 格构式电视塔计算

钢结构四边形格构式铁塔(见图3)，塔高130 m，底部边宽20 m，桅杆段长15 m，顶部边宽0.8 m，场地类别为B类，基本风压0.4 kN/m2，离地高度130 m，周期T1=1.626 s，T2=0.564 s,T3=0.279 s，为了便于分析算例中加入了风振系数的概念。计算参数见图4。

4.3 算例分析

1)根据单管塔算例，可以看到在除平台以外的位置可以认为塔体是质量和体型随高度均匀变化的，按《建筑结构荷载规范》风荷载计算的理论不需要对外形加以修正，这种情况计算出的风荷载大小要高于《钢塔桅结构设计规范》计算的风荷载值3%～25%,这种荷载上的差异也是两本规范对于这种质量和塔型随高度均匀变化结构的基本趋势。

2)对于上部有类似平台这种集中质量的位置，按《建筑结构荷载规范》计算出的风荷载高于《钢塔桅结构设计规范》90%左右，出现这种大幅差异的原因在于《钢塔桅结构设计规范》在计算脉动风作用时，公式中的第j振型的参与系数nj与质点集中质量Mi成反比，质量越大风振系数越小,相应计算出的风荷载越小。

3)根据格构式电视塔算例，可以看到对于多边形格构式的铁塔，整个铁塔高度的中下部按《建筑结构荷载规范》计算出的风荷载值要高于按《钢塔桅结构设计规范》计算出的风荷载值2%～13%，而中上部按《建筑结构荷载规范》计算出的风荷载反而低于《钢塔桅结构设计规范》 2%～50%，通过分析，产生这种情况的原因是由于这种类型的铁塔，随着高度的增加，结构迎风面宽度不断变小，这就导致在计算背景响应因子BZ时需要乘以宽度修正系数，所以整个风振系数以及最后的风荷载会随着高度增加而减小，最终在上部低于《钢塔桅结构设计规范》的计算结果。

5 结语

1)通过两本规范的计算公式和多个算例的计算结果，首先可以得出在风压高度变化系数上，《建筑结构荷载规范》2012版相比《钢塔桅结构设计规范》2004版有了明显的降低，对于B类场地，降幅在0%～7%，具体和离地高度有关。2)在体型和质量沿高度均匀变化的情况下，按《建筑结构荷载规范》2012版计算出的风荷载大于《钢塔桅结构设计规范》2004版3%～25%不等，在体型和质量不随高度均匀变化的情况下，计算的风荷载与体型和质量都有很大的关系。3)对于带天线平台的独管塔设计，《建筑结构荷载规范》计算的风荷载与《钢塔桅结构设计规范》在天线平台位置差距很大，设计时应特别注意。4)对于格构式电视塔，塔身中下部由于振动位移较小，计算风荷载考虑多个振型情况意义不大，而上部结构尤其是顶部桅杆段受到风作用较大，振动位移较大，所以采用《钢塔桅结构设计规范》计算风荷载考虑多个振型的共同影响更符合实际。

[1] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[2] GY 5001—2004，钢塔桅结构设计规范[S].

[3] 黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用[M].第2版.上海：同济大学出版社，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，助理工程师； 杨 新(1986- )，女，助理工程师

1009-6825(2015)11-0033-02

TU391

A