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风荷载是幕墙支承结构体系的重要荷载,它分为平均风和脉动风两部分。平均风的周期大大地大于一般结构的自振周期,因而其作用性质相当于静力。脉动风是由于风的不规则性引起的,它的强度是随时间按随机规律变化的,由于它的周期较短,因而其作用性质是动力的,引起结构的振动。20世纪60年代,Davenport的一系列研究使结构的抗风设计方法产生了巨大的进步,他把其中的脉动风看成一平稳高斯随机过程,并提出了脉动风的功率谱密度模型。Davenpon提出的这些基本理论至今仍为各国规范采用,我国规范也是如此。
但由于点式玻璃幕墙出现的时间较晚,且大多属于附属结构,所以理论研究跟不上实际生产的需要。我国规范将玻璃幕墙结构视为围护和装饰结构,其等效风荷载通过阵风系数来计算。采用阵风系数进行抗风设计也就是不考虑脉动风引起的结构的振动。对于传统的围护结构,脉动风引起的结构振动相当微小,抗风设计时采用阵风系数不会引起多大的误差。然而随着点式玻璃幕墙在大跨度、超高层结构中的广泛应用,其支承结构体系越来越柔,风致振动也越来越显著。此时若继续采用阵风系数进行抗风设计,将使得计算的结果与实际情况相差较大。更合理的方法是采用随机振动方法计算出来的风振系数进行抗风设计。在我国建筑结构荷载规范中,风振系数定义为等效静风荷载和平均风荷载的比值。等效静风荷载作用下结构的位移和实际风荷载作用下结构的具有一定保证率的位移相等。
对于点式大跨幕墙水平支承结构体系,以两端简支梁和固支梁作为风振分析的等效模型。然后以两端简支梁模型为基础,运用随机过程和随机振动理论,推导其在随机风荷载作用下响应的具体表达式,并由此提出了风振系数的简化计算公式。在此基础上,本文对两端固支梁模型的情况进行了分析,使用支承方式修正系数对上述简化计算公式进行了修正,首先提出了完善的点式大跨幕墙水平支承结构体系风振系数的简化计算公式,并利用数值仿真技术对提出的风振系数简化计算公式进行了准确性和可靠性验证。
对于点式大跨幕墙网架支承结构体系,本文首先提出以四边简支矩形板作为风振分析的等效模型。然后在等效模型的基础上,运用随机过程和随机振动理论,推导其在随机风荷载作用下响应的具体表达式,并由此提出了风振系数的简化计算公式。在此基础上,本文对网架支承结构体系不落地的情况进行了分析,并通过高度修正系数加以修正,首先提出了完善的点式大跨幕墙网架支承结构体系风振系数的简化计算公式,并利用数值仿真技术对提出的风振系数简化计算公式进行了准确性和可靠性验证。
本文提出的点式大跨幕墙水平支承结构体系和网架支承结构体系的风振系数简化计算公式具有很高的可靠性和准确性,可方便的用于实际工程设计。