建筑幕墙风振效应的探讨

1、 建筑幕墙风振效应的探讨提要 在建筑幕墙设计中对幕墙构件进行强度验算时，不应采用整体结构的风荷载计算公式。幕墙构件自身及其与主体结构连接处的风荷载内力效应，应为主体结构由于风荷载引起的振动，对于幕墙构件的支座动力输入，另加幕墙构件的直接风荷载。本文给出与规范相衔接的近似计算方法。关键词建筑幕墙幕墙构件风荷载振动 一、前言我国现行的建筑结构荷载规范给出的垂直于建筑物表面的风荷载标准值计算公式为： 对于高度大于 30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来体现风压脉动的影响。建筑物在高度为z处的风振系数为： 风振系数被定义为全部计算风压与静风压之比，它反映了风的脉动作用对结构的动力扰动效应

2、，与主体结构的自身动力特性有关。由它算得的风压数值并不是建筑表面的真实风压，而是考虑主体结构作为弹性体，有本身的动力放大作用，针对结构动内力所采用的等效折算风压。然而，建筑物中的幕墙构件，比如铝合金玻璃幕墙的横梁立柱、石材幕墙和金属幕墙的龙骨、点支式幕墙的钢结构等，就其自身强度及其与主体结构连结而言，仅与它们与主体结构(即支座)之间的相对位移振动有关,而与主体结构的动力特性无直接关系。幕墙构件与主体结构之间的相对位移振动，与主体结构本身的风载振动周期相差甚远，因此简单地采用主体结构的风振系数计算是不适当的。 二、主体结构对于幕墙构件的支座动力输入高层建筑中幕墙构件的质量在总体结构分析时，往往作

3、为静荷载加到各层楼面。这在动力分析中，相当于认为幕墙构件与主体刚结，与实际情况比较吻合。尽管它们之间可有弹性变形，但这种变形状态对于主体结构的动力特性的影响极其微小。因此，无论是地震还是风荷载引起的结构振动效应，均可以近似地把主体结构看作“地面”，把幕墙构件看作构筑于“地面”的结构物，吸收“地面”的运动输入。这样力学概念就比较明确，计算也比较简单。 风载对于结构的激振是单向脉冲式的平稳随机过程，风压的平均值相当于静荷载，而风压的随机部分是动荷载。结构物振动的平衡位置并不是无风时的垂直位置，而是平均风压造成的静位移位置。本文讨论的振动都是围绕这个平衡位置所发生的振动。主体结构对于幕墙构件的风荷载

4、振动输入，对于每一频率分量各点均可描述为水平方向的线位移运动 ：，角位移运动：。设幕墙构件下端位移（相对于平衡位置）为X1，上端位移为X2，见图(1)a，则角位移与线位移的关系为：(a)(b)图(1)各方面研究表明，对于风荷载的作用，即使是高柔结构，在绝大多数情况下也只需考虑基本振型。结构的风振时程本身也是一个平稳随机过程，对其结构反应的频谱特性分析可知，与主体结构本身基本振型周期及风脉动卓越周期相对应的这两个分量最高，因此可以用其中较高的一个频谱，一般即为基频，近似地计算结构反应的上限值。设主体结构在风荷载作用下，以基本频率发生简谐振动，如果取图(1)b坐标系统，则幕墙构件各点的位移及加速度

5、可分别写成下面函数形式：（1）（2）式中，、分别为构件下、上两点在主体结构按基频振动时的最大位移幅值，可由各层最大风振位移求得，近似地对应于结构自由振动第一振型的振动向量或振型函数中的相应数值。主体结构的风振并不是简谱振动，但上式可表达最大反应的上限值。 对于自身尺度小、质量分布小、相对刚度大的幕墙构件，它们对于主体结构的相对位移振动，其频率与主体结构的输入频率即主体基频相比高出甚多，因此不容易发生共振；与风的脉动频率相差更远（风的卓越周期一般在4秒以上），因此幕墙构件直接的风振效应也很微弱。正如规范规定的总体高度小于30m的结构物不必考虑风振效应一样，对它们的自身强度和与主体结构连结的验算，

6、可以认为它们是相对于主体结构的刚体而不计风振系数。即使处于较高位置的构件，风载值虽然比低处有所增高，但研究表明，反映最大瞬时风速的湍流强度值随位置增高而减小，这样脉动效应仍不大。 在跟随主体结构前、后摆过程中，幕墙构件运动到平衡位置时速度最大，这会造成构件与气流相对速度的增加或减小；根据对一般工民建结构物的基频和振幅的常见范围的分析，上述摆引起的风压改变极小，更何况速度最大时与位移最大（内力亦最大）时不同时发生，困此不必加以考虑。 下面求竖向简支梁构件如铝合金玻璃幕墙立柱的最大风振内力。设构件单位长度质量分布集度为，见图(1)b，则沿竖向任一点根据dAlembert原理，该点惯性力微分表达式：

7、 将式（2）代入上式，可得最大的微分惯性力的表达式为： 也即就是惯性力的幅值沿简支梁的分布为梯形线荷载，(2)图，其中：图(2)则简支梁上下支点最大动剪力分别为：（3）。?）则简支梁跨中最大动弯矩为：（5）其中:，（6）叠加静风压后，全部风载最大剪力及弯矩为：（7） （8）三、算例算例1：某建筑为十二层钢筋混凝土框架结构，全高为43.50m，顶层为铝合金玻璃幕墙，立柱间距1200mm，每米长度竖向质量分布集度为60kg/m。总体结构以电算分析，得知基本振型周期为T1=1.08s。基本风压为0.35kN/m，地面粗糙度类别为B。主体结构风载位移：第十二层楼面最大风载位移为36.90mm，其中静风

8、载位移（取风振系数为1）为23.93mm，则风振振幅为12.97mm，屋顶屋面最大位移为40.01mm，其中静位移为 24.68mm，则风振振幅为15.33mm。按规范幕墙大面处体型系数，风压高度变化系数按线性插值计算。基本频率： =2/T1=5.82/s= 12.97mm，= 15.33mm，简支梁上支点最大风振剪力为： ,算例2：某文化中心艺术墙高为 41.50m，主体结构为钢管桁架,竖向每约 8m一榀钢管桁架,横向每 3m一榀钢管桁架,幕墙结构为单层索网结构,竖索为受力索,跨度 3m,间距 2m，每平米竖向质量分布集度为 71kg/m2。根据风洞试验数据统计出各个区域中最不利体形系数为s

9、=1.44,最高点风振系数z3.8,高度变化系数为z1.56,钢结构主体风压标准值: Wk=zzsW03.81.561.440.5 KN/m24.2KN/m2。用于围护结构的最不利风压为wk=zzsWo =1.61.561.440.5=1.8 KN/m2。总体结构以电算分析，得知基本振型周期为T1=0.98s。基本风压为0.5kN/m，地面粗糙度类别为B,主体结构最大风振系数为3.8。主体结构顶点风载位移：最大风载位移为 156mm，其中静风载位移（取风振系数为1）为 41mm，则风振振幅为 115mm。 基本频率：=2/T1=6.41/s= 115mm， =6.412710.115=335.5 N/m 2a=0.34KN/m2则简支梁上下支点最大动剪力分别为：（3）则简支梁跨中最大动弯矩为： （5）其中:，（6）叠加静风压后，全部风载最大剪力及弯矩为：（7）（8）其中应为构件的幕墙体形系数。对于尺度相