第九章 理解风力规程和标准：其规定背后的基本要素外文翻译资料

 2022-04-12 08:04

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第九章 理解风力规程和标准：其规定背后的基本要素

摘要：

本章收集了一系列注释，介绍了近几十年来通过各种实践规范评估建筑物的风荷载所取得的进展，这对了解当前的用于估算建筑物上的风压的代码规定是很有必要的，这反过来又可以帮助改进这些规定。开展背景研究是为了开发标准的风力规程，几乎专门用于边界层的风洞实验，对于利用计算方法的尝试非常有限。本章介绍的主题包括：风向结构; 风速模型; 具有中间屋顶角的人字形屋顶建筑物的风压规定; 四坡屋顶的压力系数; 和内部压力。一般认为，现行规范必须包含上游地形粗糙度，不同屋顶形状和其他建筑特征的影响。已经讨论了计算风力工程的进展（CFD和ANN方法），最近的创新方法，如风荷载路径和使用特定建筑物几何形状的风压系数时间历史的数据库辅助设计（DAD），预计将用于未来实践规范的规定。

关键词：建筑物 规范条款 计算风力工程 设计 风荷载

9.1 绪论

本章包括讲授风力工程基础知识的讲义，有助于理解风力标准和建筑风力设计规范的发展和演变。上个世纪风力工程的发展取得了很大进展，源于深入研究的成果已被纳入各种国家和国际风力标准和规范的升级版本。特别强调低层建筑，因为高层建筑，特别是那些复杂形状和不均匀环境的高层建筑仍然在边界层风洞中进行测试，尽管计算尝试总是在增加。表9.1列出了不同速度（单位为英里/小时）下垂直于风向的表面上的每平方英尺磅数的压力，由公式P = 0.004Vsup2;计算。

关于风代码规范的单页描述现在在需要详细指导和评论的书籍中形成了数百页的内容，以详细阐述这些规定，并协助设计人员正确解读和正确应用。事实上，大多数国家和国际的风力荷载标准都有一个共同的格式，只要它们包含它们对设计者的描述性说明的条款，然后是评论或补充或附录，其背景信息和说明转述了规定的来源或者从之前版本的代码/标准修改的理由。为有兴趣的读者提供了相关的参考资料，供进一步阅读和理解，尽管有些国家的标准在这方面是无声的，大概是因为代码委员会利用了他们的集体智慧并且改变了或没有考虑到原始资料的部分内容研究。

各种风荷载标准规定的另一个共同特征是评估作用于建筑物表面的风压载荷的基本方程，其形式如下：

P=qCeCpCg （9-1）

表9.1 1944年由ARMCO钢结构建筑物指定的风压

速度（mph）

压强（lbs/ft2）

风型

10

0.4

微风

20

1.6

和风

30

3.6

大风

40

6.4

疾风

50

10.0

暴风

60

14.4

强烈暴风

80

25.6

飓风

100

40.0

强烈飓风

注意：对于矩形建筑物，压力可能是本表中给出的压力的80％

该公式包括取决于风气候和地形地形的动态速度压力（q），取决于高度和上游暴露特征的暴露因素（Ce），压力系数或形状因素（Cp），取决于形状和几何细节与风力相互作用的建筑物以及表现风压作用于建筑物表面的动态特性的阵风效应因素（Cg），以及包括所谓的“热点”在内的局部波动，这些都是影响包层元件设计的因素。这些基本因素中的每一个都将在他的章节中讨论。

包含在加拿大国家建筑法规注释中的风荷载规定（NBCC 1995,2005,2010）的确是开拓性的，而美国国家标准ASCE 7-10（2010）现在被认为是世界上最好的之一，因为它将风力互动领域的主要研究成果纳入其中。升级守则条款当然是一个持续的过程，总是有待解决的问题和要实施的创新。目前，关键问题包括评估不同形状建筑物的风荷载，评估内部压力的规定以及暴露的明确定义，包括粗糙度过渡的情况。这些都是在未来几年支配研究议程的重要问题。此外，对各种建筑物配置的加载路径的理解和评估是真正的挑战，而预计工作将继续通过各种方法来缓解在屋顶拐角，山脊和边缘附近产生非常高吸力的旋涡效应。

本章回顾了关于评估低层建筑风荷载的知识演变及其现状。在简要的历史观点之后，详细描述了西安大略大学在20世纪70年代进行的低层建筑风荷载研究，将显示研究结果对现代风标准和实践规范中关于设计荷载规定的制定的影响，最后，将讨论计算风力工程以及所谓的计算机辅助风力工程在建筑物风压评估中的地位。

9.2 风速

方程式的动态速度压力（公式9.1）在很大程度上取决于风速V。

应当指出的是：

  • 地面障碍物会阻碍靠近地面的空气流动，导致风速降低（图9.1）。
  • 在地面以上的一定高度，空气的运动不再受到地面障碍物的影响。 这个高度称为梯度高度Zg，它是地面粗糙度的函数。

图9.1 风速随高度的变化（Davenport 1967）

表9.2 速度分布特征的典型值

地形类别

地形描述

渐变高度Zg（m）

粗糙度长度

Zo（m）

平均速度指数

阵风速度指数

1

公海，冰，苔原，沙漠

250

0.001

0.11

0.07

2

有低灌木或散落的树木的开阔乡村

300

0.03

0.15

0.09

3

郊区，小城镇，树木繁茂的地区

400

0.3

0.25

0.14

4

众多的高楼，市中心，发达的工业区

500

3

0.36

0.20

无阻风速称为梯度风速Vg，它在梯度高度以上恒定。

幂律通常由工程师用来表示风速随高度的变化。 这主要是一个经验方程式，被定义为=（）alpha; （9.2）

其中Zg和alpha;是地面粗糙度的函数, 表9.2给出了Zg和alpha;的典型值。

对数法更多地被气象学家使用[公式9.3）]并基于边界层的物理，它在边界层20-30％的底部有效，并被定义为 （9.3）

其中Zo是粗糙度长度，是摩擦速度（用于极端风速），是地面的剪应力，rho;是空气密度。

表9.2还包括Zo的典型值和以平均速度指数的60％计算的阵风速度指数。

图9.2 暴露B：具有大量单户住宅或更大尺寸的密集障碍物的城市区域。对于所示的所有结构，代表表面粗糙度类别B的地形延伸超过建筑物高度的20倍或上风方向的2600英尺（792米）（以较大者为准）（ASCE2010）

9.2.1 暴露

在最近的北美风标准版本中对暴露类别的定义进行了一些修改，例如，在目前的ASCE 7-10标准（ASCE 2010）中，曝露A已经被淘汰，基本曝露类型为B，即B（郊区），C（露天）和D（海岸线区域）。曝露A适用于紧邻高层建筑的非常密集的城市中心。在这些地区，风的变化性确实很好，只有风洞中的物理模拟可以预测当地的风况。

表面粗糙度和曝光类别之间的区别导致了曝光更精确的定义。图9.2,9.3和9.4显示了B，C和D暴露类别的典型情况。应该指出的是，每个风向的暴露被定义为所考虑方向两侧45o的扇形区中最差的情况。

图9.3 暴露C：对于大多数风向，散射障碍物的地形开阔，高度一般小于30英尺。在照片中，平均屋顶高度小于30英尺的所有1层建筑物的高度小于1,500英尺或10倍，取决于防止使用暴露的开阔场地B（ASCE 2010）

表征高层建筑迎风风险的必要提取已经从10个增加到20个建筑高度。对于暴露B，为了说明这种情况，需要在建筑物上风800米以上的表面粗糙度（没有足够的开放贴片），开放式贴片定义为每侧大于或等于约50 m的开口。图9.5和9.6显示了表面粗糙度C或D的开放贴片对暴露类别B的使用的影响，很明显，任何开放式贴片的平面位置对于不同的风向都会有不同的影响。

良好的工程判断是正确评估曝露的必要条件，还应该记住，由于未来开发或拆除上游建筑物，特定建筑物的暴露可能会在多个风向发生变化。

图9.4 暴露D：海岸线上的建筑物（不包括飓风频发地区的海岸线），在开阔水域至少有1英里的距离有风，曝露D的海岸线包括内陆水道，大湖泊和加利福尼亚州，俄勒冈州，华盛顿州和阿拉斯加州的沿海地区（ASCE，2010年）

图9.5 曝露B与迎风开放补丁（ASCE 2010）

图9.6 曝露B与开放补丁（ASCE 2010）

9.2.1.1 上游曝露

上游暴露的更加严格的定义以及与之相关的粗糙度的新兴趣近来浮出水面，这是由于在较低的建筑物上设计风压降低的显着潜力，这种潜力是由于在较恶劣的地形条件下实际的流速滞后所致。我们的目标是在设计中加入更清晰的曝露定义，包括通过指定曝露系数的适当值的过渡案例。对暴露效应的详细阐述将增加设计过程的复杂性，但可能确实会导致更充足和经济的风力供应。无论如何，过去几十年中专门用于压力系数的研究工作量与迄今为止在调查暴露效应方面所做的相当微小的努力相比是非常不成比例的。然而，提到上游暴露效应难以研究，而且确实难以为设计目的编纂，这也是公平的。此外，目前在各种风力设计标准和实践规范中对上游地形暴露的定义存在显着差异和不一致性，如表9.3中详细显示的那样。一个典型的例子可能是最常见的郊区/城市暴露所需的最小上游取值，该值从英国法典（BSI 6399-2 1997）的最小值100米到加拿大法典的最大值1,000米（NBCC 2010）。

值得注意的是，代码和标准中的几种现行风压系数规定，包括2005年加拿大国家建筑规范（NBCC 2005）中的规定和标准，均以保守的开阔的乡村暴露为基础，无论实际情况和主导风向如何。美国标准ASCE 7-98（1998）开始允许使用与加拿大使用的系数类似的系数 - 但是以0.85而不是0.8方向性系数 - 与郊区暴露的速度分布一致，如果实际建筑确实如此 暴露于郊区相应的粗糙度，这反映了绝大多数低层建筑的情况。St. Pierre（2002）通过加拿大NBCC（1995），美国ASCE798（1998）和欧洲ENV（CEN 1995）的相关条款将大陆架地形测量中的实验测量垂直抬升和水平推力系数在郊区地形粗糙度屋顶低矮建筑物的末端海湾进行了比较。结果表明，美国的规定明显低于其他规定明显低于测量数据，图9.7显示了这项研究的典型结果。事实上，当所考虑的建筑设计案例确实处于所有风向的郊区类型的上游地形时，ASCE 7-98系数似乎可能已经被降低了。此外，在这种情况下2002年ASCE 7标准中的城市暴露（暴露A）被取消，因为它被认为适合评估设计压力，以进行风洞研究，以说明通常非常重要的邻近效应。目前与这一领域相关的努力涉及暴露表征所需的粗糙度取值要求，并检查转换方程以提供适用于上游地形粗糙度变化情况的曝光系数。其目的是允许在地表粗糙度变化附近的暴露过渡区内进行内插，并且英国的ESDU来源是这些规定的主要来源。

表9.3 典型风标准和实践规范的Zo值和最小读取长度

图9.7 在郊区地形暴露下，人字形屋顶建筑物末端海湾的最小垂直隆起和最大水平推力系数（a）屋檐高度：9.75米; 屋顶坡度：3:12（b）屋檐高度：7.32米; 屋顶坡度：1:12 (St. Pierre 2002)

9.2.2 风速和湍流模型lt;

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