工程設計中鋼結構電視塔風振舒適度的計算

劉 坤 付舉宏 邱 暉 朱 悅 張 海

(中廣電廣播電影電視設計研究院，北京 100045)

·結構·抗震·

工程設計中鋼結構電視塔風振舒適度的計算

劉 坤 付舉宏 邱 暉 朱 悅 張 海

(中廣電廣播電影電視設計研究院，北京 100045)

以宿遷市廣播電視發(fā)射塔為例，采用不同規(guī)范的計算方法計算了鋼結構電視塔風振舒適度，并對計算結果進行了比較，同時和風洞試驗結果作了對比，找出了比較適用的計算方法。

電視塔，風振舒適度，計算，結果

電視塔是高聳結構的一種，自19世紀50年代以來，隨著電視的普及，許許多多的電視塔在世界各地相繼建成。隨著時代發(fā)展，電視塔的高度越來越高，結構外形向纖細、多變的方向發(fā)展，其功能也從傳統(tǒng)的廣播電視發(fā)射轉變?yōu)榧瘡V播電視、商務、觀光等于一體，成為城市的地標和名片，結構類型也相應的從“構筑物”轉變?yōu)椤敖ㄖ铩?，風振舒適度成為了設計過程中的一個非常重要的指標。鋼結構由于其重量輕，施工快，抗風抗震性能好等一系列優(yōu)點，在電視塔中出現(xiàn)的越來越多。但是鋼結構電視塔構件較多，結構復雜，通常分為外部塔架、內部井架、塔座、塔樓等部分，風荷載及舒適度計算較為復雜。

1 工程實例

宿遷市廣播電視發(fā)射塔，高333 m，主要部分為外塔架、內部井架、塔座、塔樓和桅桿段。主塔體高235.9 m，平面為正十六邊形，桅桿段高97.1 m，平面為正四邊形。塔座部分包括地下1層和地上3層，塔樓分4層。發(fā)射塔的建筑結構類型屬于空間格構式筒體，塔座為蓮葉造型，塔樓為蓮花造型，效果圖見圖1。

由于結構的質量和剛度沿高度方向有突變，所以風荷載的計算不能只考慮第一振型，因此荷載規(guī)范、高聳規(guī)范等風載計算方法都不適用。本工程按照鋼塔桅規(guī)范的相關條文，采用振型分解法計算，振型數(shù)量取7個。風振舒適度按照GB 50135—2006高聳結構設計規(guī)范(下文簡稱高聳規(guī)范)進行計算，規(guī)定如下：

在審圖過程中，有專家提出，風振舒適度尚應按照JGJ 99—98高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程(下文簡稱高鋼規(guī))的規(guī)定，取10年重現(xiàn)期的風壓進行計算。高鋼規(guī)第5.5.1條規(guī)定如下：

公共建筑類鋼結構在風荷載作用下的順風向和橫風向頂點最大加速度不應超過0.28 m/s2。順風向頂點最大加速度:

其中，aw為順風向頂點最大加速度，m/s2;μs為風荷載體型系數(shù)；μr為重現(xiàn)期調整系數(shù)，取重現(xiàn)期為10年時的系數(shù)0.83；ω0為基本風壓,kN/m2，按現(xiàn)行國家標準GBJ 9建筑結構荷載規(guī)范的規(guī)定采用；ξ,v分別為脈動增大系數(shù)和脈動影響系數(shù)，按現(xiàn)行國家標準GBJ 9建筑結構荷載規(guī)范的規(guī)定采用；A為建筑物總迎風面積,m2；mtot為建筑物總質量,t。

上式中，直接將μrω0換成10年重現(xiàn)期的風壓值代入。

由于塔樓并非電視塔頂點，按文獻[2]內容換算塔樓處加速度。任意高度Z處的加速度為awz=awφz，φz為第一振型z高度處的相對位移。

2 計算結果

本工程風振舒適度計算結果如下：1)按照《高聳結構設計規(guī)范》進行核算，結果如下?；撅L壓按0.4 kN/m2(50年重現(xiàn)期)計算，在脈動風的頻遇組合下，塔樓處的水平位移為0.107 4 m，基頻為0.927 6 rad/s，計算得風振加速度為0.092 m/s2，滿足規(guī)范要求。2)按照《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》進行核算，結果如下?；撅L壓按0.25 kN/m2(10年重現(xiàn)期)計算，自振周期為6.773 4 s，查得ξ=3.87，v=0.79，∑μsiAi=4 108m2，mtot=22 179 t，φz=0.484，計算得a=0.069 m/s2，滿足規(guī)范要求。由以上結果可知，高鋼規(guī)中計算風振加速度的公式對于帶有塔樓的綜合性電視塔計算結果明顯偏小，可能的原因是公式中的參數(shù)ξ和v，按GBJ 9建筑結構荷載規(guī)范的規(guī)定采用，只是針對剛度和質量分布均勻或者沿高度線性變換的結構的，對于帶塔樓的電視塔結構并不適用。因此，按照高鋼規(guī)的風壓取值，按照高聳規(guī)范的計算方法，再次對電視塔的風振舒適度進行了計算，結果如下?；撅L壓按0.25 kN/m2計算，在脈動風的標準組合下，塔樓處的水平位移為0.156 8 m，基頻為0.927 6 rad/s，計算得風振加速度為0.135 m/s2，滿足規(guī)范要求。

3 風洞試驗結果

本工程還通過風洞試驗(高頻底座天平測力試驗)給出了塔樓處的風振加速度，結果如下：1)取50年重現(xiàn)期的風荷載頻遇值，得到塔樓處的最大加速度為0.15 m/s2(阻尼比1.5%)；2)取10年重現(xiàn)期的風荷載，得到塔樓處的最大加速度為0.19 m/s2(阻尼比1.5%)。

4 結語

通過以上的計算結果和試驗結果可知：1)電視塔結構頂部桅桿段鞭梢效應非常明顯，計算風荷載時必須要考慮高階振型的影響。高聳規(guī)范也明確指出，對于結構外形或質量有較大突變的高聳結構，風振計算均應按隨機振動理論進行。但是用隨機振動理論計算風荷載，在工程設計上有著很大難度，希望能盡快制定或修訂適用于這種結構形式的國家標準來指導計算風荷載。2)由鋼塔桅規(guī)范的風荷載計算公式可知，當其他條件一致時，不同風壓下脈動風的值與風壓成正比，所以塔樓處位移與風壓成正比。由文獻[3]可知，由50年重現(xiàn)期風壓換算到10年重現(xiàn)期風壓，換算系數(shù)約為0.73。而風荷載的頻遇值組合系數(shù)為0.4，相當于將風壓縮小至0.4倍。因此，按高聳規(guī)范計算時，10年重現(xiàn)期脈動風的標準組合得到的加速度值要大于50年重現(xiàn)期脈動風頻遇組合得到的加速度值。設計時，建議按10年重現(xiàn)期的風荷載計算。3)風洞試驗結果與規(guī)范計算結果間往往存在一定的誤差，經分析，本次試驗與設計值的差異，主要是由于計算方法及部分參數(shù)取值差異引起。但是風洞試驗仍然是高聳結構設計過程中一個很好的驗算手段，有條件的話建議做試驗來校核和對比。

[1] 米曦亮.高聳電視塔結構風振控制研究[D].上海:同濟大學,2007.

[2] 陳 豐,金新陽.結構順風向風振加速度分析與計算[A].第十九屆全國高層建筑結構學術會議論文[C].2006：671-678.

[3] 趙 洋,顏衛(wèi)亨,王振鋒.不同重現(xiàn)期風壓轉換方法探討[J].工業(yè)建筑,2010(sup):725-728.

Calculation of steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort in engineering design

Liu Kun Fu Juhong Qiu Hui Zhu Yue Zhang Hai

(RadioFilmandTelevisionDesignandResearchInstitute(DRFT),Beijing100045,China)

Taking Suqian television launch tower as an example, applying different calculation methods, the paper calculates the steel-structure TV tower wind-induced vibrating comfort, compares the calculation results, and compares it with wind tunnel testing results, and finally finds out suitable calculation methods.

TV tower, wind-induced vibrating comfort, calculation, result

2015-01-20

劉 坤(1986- )，男，工程師； 付舉宏(1962- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)10-0027-02

TU391

A