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建筑幕墻風(fēng)振效應(yīng)的探討(一)

來源:廣東金剛幕墻工程有限公司供稿  作者:謝子孟  日期:2006-7-18
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  [提要] 在建筑幕墻設(shè)計(jì)中對幕墻構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時,不應(yīng)采用整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計(jì)算公式。幕墻構(gòu)件自身及其與主體結(jié)構(gòu)連接處的風(fēng)荷載內(nèi)力效應(yīng),應(yīng)為主體結(jié)構(gòu)由于風(fēng)荷載引起的振動,對于幕墻構(gòu)件的支座動力輸入,另加幕墻構(gòu)件的直接風(fēng)荷載。本文給出與規(guī)范相銜接的近似計(jì)算方法。

  [關(guān)鍵詞]建筑幕墻
  各方面研究表明,對于風(fēng)荷載的作用,即使是高柔結(jié)構(gòu),在絕大多數(shù)情況下也只需考慮基本振型。結(jié)構(gòu)的風(fēng)振時程本身也是一個平穩(wěn)隨機(jī)過程,對其結(jié)構(gòu)反應(yīng)的頻譜特性分析可知,與主體結(jié)構(gòu)本身基本振型周期及風(fēng)脈動卓越周期相對應(yīng)的這兩個分量最高,因此可以用其中較高的一個頻譜,一般即為基頻,近似地計(jì)算結(jié)構(gòu)反應(yīng)的上限值。設(shè)主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下,以基本頻率發(fā)生簡諧振動,如果取圖(1)b坐標(biāo)系統(tǒng),則幕墻構(gòu)件各點(diǎn)的位移及加速度可分別寫成下面函數(shù)形式:

       (1)

      (2)

  式中,分別為構(gòu)件下、上兩點(diǎn)在主體結(jié)構(gòu)按基頻振動時的最大位移幅值,可由各層最大風(fēng)振位移求得,近似地對應(yīng)于結(jié)構(gòu)自由振動第一振型的振動向量或振型函數(shù)中的相應(yīng)數(shù)值。主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)振并不是簡譜振動,但上式可表達(dá)最大反應(yīng)的上限值。


   對于自身尺度小、質(zhì)量分布小、相對剛度大的幕墻構(gòu)件,它們對于主體結(jié)構(gòu)的相對位移振動,其頻率與主體結(jié)構(gòu)的輸入頻率即主體基頻相比高出甚多,因此不容易發(fā)生共振;與風(fēng)的脈動頻率相差更遠(yuǎn)(風(fēng)的卓越周期一般在4秒以上),因此幕墻構(gòu)件直接的風(fēng)振效應(yīng)也很微弱。正如規(guī)范規(guī)定的總體高度小于30m的結(jié)構(gòu)物不必考慮風(fēng)振效應(yīng)一樣,對它們的自身強(qiáng)度和與主體結(jié)構(gòu)連結(jié)的驗(yàn)算,可以認(rèn)為它們是相對于主體結(jié)構(gòu)的剛體而不計(jì)風(fēng)振系數(shù)。即使處于較高位置的構(gòu)件,風(fēng)載值雖然比低處有所增高,但研究表明,反映最大瞬時風(fēng)速的湍流強(qiáng)度值隨位置增高而減小,這樣脈動效應(yīng)仍不大。


   在跟隨主體結(jié)構(gòu)前、后擺過程中,幕墻構(gòu)件運(yùn)動到平衡位置時速度最大,這會造成構(gòu)件與氣流相對速度的增加或減小;根據(jù)對一般工民建結(jié)構(gòu)物的基頻和振幅的常見范圍的分析,上述擺引起的風(fēng)壓改變極小,更何況速度最大時與位移最大(內(nèi)力亦最大)時不同時發(fā)生,困此不必加以考慮。


   下面求豎向簡支梁構(gòu)件如合金玻璃幕墻立柱的最大風(fēng)振內(nèi)力。設(shè)構(gòu)件單位長度質(zhì)量分布集度,見圖(1)b,則沿豎向任一點(diǎn)根據(jù)d′Alembert原理,該點(diǎn)慣性力微分表達(dá)式:

  將式(2)代入上式,可得最大的微分慣性力的表達(dá)式為:

  也即就是慣性力的幅值沿簡支梁的分布為梯形線荷載,(2)圖,其中:

圖(2)

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