等效风荷载计算方法.doc

等效静力风荷载的物理意义 从风洞试验获取屋面风荷载气动力信息，到得到结构的风振响应整个过程来看，计算过程中涉及到风洞试验和随机振动分析等复杂过程，不易为工程设计人员所掌握，因此迫切需要研究简便的建筑结构抗风设计方法。等效静力风荷载理论就是在这一背景下提出的。其基本思想是将脉动风的动力效应以其等效的静力形式表达出来，从而将复杂的动力分析问题转化为易于被设计人员所接受的静力分析问题。等效静力风荷载是联系风工程研究和结构设计的纽带[3]，是结构抗风设计理论的核心内容，近年来一直是结构风工程师研究的热点之一。 等效静力风荷载的物理意义可以用单自由度体系的简谐振动来说明[45, 108]。 图1.3 气动力作用下的单自由度体系 对如图1.3的单自由度体系，在气动力作用下的振动方程为： (1.4.1) 考虑粘滞阻尼系统，则振动方程可简化为： (1.4.2) 式中为该系统的自振频率，为振动系统的临界阻尼比。 假设气动力为频率为的简谐荷载，即，那么其稳态响应为： (1.4.3) 进一步化简有： (1.4.4) 其中，，为振幅，为气动力和位移响应之间的相位角。 现在假设该系统在某静力作用下产生幅值为的静力响应，那么该静力应该为： (1.4.5) 如果不考虑相位关系，静力与简谐气动力将产生一致的幅值响应，则这两种荷载之间存在一种“等效”的关系，那么可以称为的“等效静力风荷载”。 从上面这个简单的实例可以很清楚的体会到，所谓等效静力风荷载是指这样一种静力荷载，当把它作用于结构上时，其在结构上产生的静力响应（不仅指代位移响应，也包括内力响应等）与外加气动力荷载产生的动力响应最大幅值是完全相等的。本文中，将动力响应的最大幅值称为峰值响应，或目标响应。 等效静力风荷载理论的提出和发展 等效静力风荷载（Equivalent static wind loading, ESWL）理论研究始于高层、高耸结构。1967年，A.G. Davenport率先引入随机振动理论，建立了结构抖振响应分析的理论框架，并借助阵风荷载因子（Gust Loading Factor, GLF）这一概念将复杂的动力分析问题转化为易于被设计者接受的静力分析问题，从而开创了等效静风荷载理论研究的先河[109]。其后，先后有很多学者进行过等效静力风荷载的探讨，并且提出了多种计算方法，但大多是针对高层结构而提出的一系列改进措施[108, 110-119]。 上世纪九十年代，Kasperski（1992）在研究低矮房屋的等效静力风荷载时，重新审视了阵风荷载因子法的不足，提出了适用于刚性屋面的荷载—响应相关（Load-Response-Correlation, LRC）法[120, 121]，用于计算其背景等效静力风荷载。LRC法的提出和发展，使得等效静力风荷载的物理概念更加清晰。随后，LRC法被广泛的应用于大跨度屋盖结构等效静力风荷载的计算[71, 96]。LRC法的优点是，它利用荷载和响应之间的相关系数来确定等效静力风荷载，这使得求得的等效静力风荷载是实际可能发生的。 在LRC法的基础上，Holmes等人（1996, 1999）建议采用LRC法和等效风振惯性力相结合的办法来表示等效静力风荷载，并且给出了平均风荷载、背景风荷载以及代表多阶共振分量的惯性风荷载一起组合的等效静力风荷载形式[122] （或称为三分量组合形式）。之后，不断有学者对三分量法提出改进和完善[2, 6, 7, 45, 97-105, 107]。 到目前为止，已经出现多种静力等效方法，下面详细介绍几种主要的方法。 1.4.2.1 阵风荷载因子（GLF）法 Davenport（1967）引入“阵风荷载因子”（Gust Loading Factor, GLF）来考虑脉动风荷载对结构响应的放大[109]，这种简单可行的方法得到发展并运用到实际工程中，成为制定高层建筑风荷载规范的主要依据。 阵风荷载因子法定义峰值响应与平均响应之比——“阵风荷载因子”G来表征结构对脉动荷载的放大作用。作用在结构上以某个响应等效的静力等效风荷载可用下式计算， (1.4.6) 式中，为平均风荷载，阵风荷载因子由下式确定: (1.4.7) 其中表示峰值响应，为平均响应。可以表示为：