考虑脉动作用的附着式钢结构广告牌的风荷载分析

2020-09-18高涌涛周长秋

四川建筑 2020年4期

李锋，高涌涛，周长秋

(1.四川工程职业技术学院建筑工程系，四川德阳 618000；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

随着广告业的兴旺，各种新颖的广告牌得到了较大规模的应用。大型广告牌属永久性建筑物,其位置多处在公共场所、繁华闹市地带,并且多数是建在已建建筑群中,因此,在满足广告效果的前提下,其结构的安全性尤其重要。本文以西安市某大厦外墙附着式广告牌为例，对其进行了风荷载分析，为此类广告牌的设计提供参考。

风是自然界一种常见现象，根据测试记录，发现自然界的风包含两部分：即长周期的静力风和瞬时的脉动风。静风由于其波动周期长，很难引起建筑物的强振动，而瞬时风则由于其周期短，容易接近结构的自振周期，尤其是轻型薄壁结构，所以其产生的作用属于随即动荷载。平均风可以按照结构高度、自振周期及重现期来表述，但脉动风属紊流特性，是导致结构振动的主要部分。对于附着式钢结构广告牌这种小刚度结构，应该考虑脉动风所产生的风振效应[1]。参考美国规范[2]推导了考虑脉动作用的附着式广告牌的风荷载计算公式，为此类结构的抗风设计提供参考。

1 脉动风特性

脉动风实际上是三维的风湍流，它包括顺风向、横风向和垂直向的湍流[3]。由于垂直向湍流数值很小，对结构影响可以不计。风的脉动效应就是由于气流中的湍流所引起的，所以脉动风的特性可以由其湍流积分尺度、湍流强度、湍流脉动风速自谱和互谱来描述。

1.1 湍流积分尺度

湍流积分尺度是湍流中涡旋平均尺寸的度量，是通过某一点的气流中的脉动，可以认为是由平均风运送过来的一系列涡旋相互叠加和作用的结果[4]。若定义涡旋的波长就是涡旋大小的量度，湍流积分长度Lu则是湍流中湍流涡旋平均尺寸的量度，即

1.2 湍流强度

(1)

GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[5]没有明确给出湍流强度的计算公式，参考文献[2]的湍流计算公式来推导考虑脉动风作用的附着式广告牌风荷载计算公式。

(2)

式中:c为与地形有关的参数(表1)。

1.3 顺风向脉动风速功率谱

文献[2]中采用的是Solari提出的脉动风速功率谱，其中湍流积分长度Lu随着离地高度z的变化而不同，即：

(3)

式中:vz为高度z处的平均风速；l、E为与地面粗糙度有关的参数(表1)；z为结构计算高度。

表1 相关计算参数

2 脉动风压系数

脉动风压系数是为了反映脉动风压在整个顺风向风压中所占比例沿高度变化的参数。其具体表达式为

(4)

式中:μ为保证系数，一般取2.0～2.5；k为系数；μz为风压高度变化系数。

由于公式中的系数k为Davenport在建立脉动风速谱时所确定的用来反映地面粗糙度的一个系数，故其离散型很大，为了方便计算，将式(4)写成

(5)

3 工程应用

3.1 工程概况

东方之星商厦位于西安市新城区南新街路口，地处东大街繁华地段，项目业主为了达到良好的宣传效果，特意在临街正立面上安装一块大型广告牌。该广告牌不落地，总高26.5 m，从墙面向外悬挑5.5 m，采用钢结构制作(图1)。

图1 东方之星商厦效果图

该广告牌要求悬挂于建筑外墙。因此其受风荷载的影响最甚，采取何种有效措施来保证广告牌与墙面的可靠连接就成为其设计的关键所在。该地区基本风压为0.3 kN/m2。

3.2 广告牌的结构形式

经过多次的结构形式比选,决定该广告牌结构形式采用桁架式(图2)。其理由是:第一,广告牌结构的控制设计荷载是风载,风压直接作用在面板上,再由面板传至骨架,在不同高度上的几道主梁可把风载较均匀地传至结构主体；其次,平行式桁架结构主梁采用槽钢,使结构外形平整,便于广告面板挂靠,并可加强面板与主骨架的连接,从而减小了面板的变形,以确保广告面的感观效果；除此之外,平行式桁架结构,形式简洁、美观,受力明确,节点构造简单,施工方便,从而能保证施工质量。