一、说明

　　最近两年高达400米以上的塔型及筒型建筑幕墙起来越来越多了，做为维护结构的幕墙体系，采光顶结构将受到外荷载不能用均布风压，来进行静态计算评价它的强度和刚度变形，作者在“超高层幕墙幕墙结构风振响应抗风洞试验研究”中指出：现行的JGJ-102-2003和GB50009-2001（2006年版）规范和标准已经不能完全做为设计依据，规范限定的建筑幕墙高度150米以下，可以为有效的设计依据，至于200米以上到500米，它除了结构力学特征的约束外，非线型动态风场作用在建筑物的动态变形计算，102规范是极不完善也函盖不了，这里进入整体弹性力学变位、振动等的力的特性将以新的科学理论来加以解释和重新证实。在现有荷载规范不能用在超高层玻璃幕墙计算风荷载的情况下，必须考虑用风洞试验方法，找到建筑物及幕墙的静态受力体系和动态受力体系二者共同协调一起，来进行描述它的物理特性。

　　例如：广州电视塔高度465米，广州西塔建筑物高为432米，用JGJ-102-2003规范进行力的特性计算是不可能完全接受的，它的风荷载作用在建筑外维护结构上许多地方超出规范所规定的，力学特征和风振响应等效静风荷载特性。它的风荷载不能用GB50009-2001（2006年版）荷载公式：WZ=βZμZμSWO计算。强度、刚度位移在超高层的建筑塔尖部位出现了无数个非定型的四-五自由度随0-360°方向上分布风压集合，也会出现无穷个超高层顶部变形位移的轨迹，一般成非椭圆形分布。我们关心是无穷个四维的非规律性椭圆位移轨迹，和作用建筑物风压的最大值负压值，以及角转位移的关系是什么。因为必须确定塔尖段风振位移，和振起始点的旋转轴位置，一般是非常困难的。它用动态模拟计算也十分复杂，也就必须知道它的转动惯量Jω与旋转有关的转动惯矩积，是很麻烦的一项工作，因为这些轴之起始位置在塔的高度上是变化的，除了对这种建筑物要做常规风洞试验以外，还要利用动相拟准则进行动态四个自由度以上转动及线型变化位移的计算和模拟计算。这种振摆运动只有风存在，永远不会停止，当然它和各个地区的统计风向，塔型体型特征有关，因此，模拟必须是相拟的，广州电视塔的风洞试验数据给出了0-360°风角不同位置时的最大正压的值，和最小负压值，一般给出的不同层高段作用建筑表面上区域上的压力分布值，这些风洞给出测量值不能直接用到计算作用在幕墙表面上风压，必须进行数据转换处理，所测的风压值与气流端流度不同情况的压力分布，换算成这个测试区域的体型系数，然后再利用GB50009-2001（2006年版）标准进行计算风压值，但对风振位移变化只能用动态模拟进行模拟计算（计算机模型计算，利用专用特殊有限元软件）。

　　二、建筑幕墙外表面利用风动试验数来确定风荷载的方法

　　（一）目前非对称奇异外型超高建筑物（一般在200-400米以上）的风荷载计算用现行GB50009-2001（2006年版）荷载规范和JGJ-102-2003规范来准确确定风荷载值是困难的，作者发现像这类建筑物幕墙外立面上风荷载，80%以上幕墙外立面上的真实的风压分布，比用上述两个规范中给出计算风荷载：（即MZ==βZμZμSWO）计算出的结果相差较大，后者偏高值右达15-30%以上，个别高出1倍以上（详见本作者另一篇文章“风洞试验给出风荷载与现行GB50009-2001（2006年版）及JGJ-102-2003规范计算结果比较分析”）可以清楚看出它们之间的差异；利用风动试验结果对超高层的结构设计带来非常经济的，会节约大量的结构材料，从某种角度来证明是一种最大节能设计，它的贡献远远大于做风洞试验的试验费用。当然风洞试验有可能出现局部位置在150-100米以下，大于GB50009-2001（2006年版）规范计算的风荷载值，这部分占比例也不大，可以采用局部结构补强设计。也证明在低于150米，可以利用上述二个规范来计算，提倡宜作风洞试验，但作者强调在150-400米以上超高层，不管建筑的外型是什么类别，必须做风洞试验，它将科学地给出比较准确的风荷载，它无可争议的大大提高了幕墙的性价比，节约大量幕墙结构材料。

　　（二）作用在幕墙外表面风荷载的风洞试验数据，转换成现行的荷载标准计算方法

　　1、现行荷载标准GB50009-2001（2006年版）规定作用在幕墙垂直表面上的风荷载标准值是：

　　M_K=β_Zμ_Zμ_SW_O      M_K设=1.4 M_Kη
　　M_K—风荷载标准值（KN/m²）
　　M_K设—风荷载设计值（KN/m²）

　　η—不同从属面积下的支撑面板柱横梁等，当从属面积大于或等于1m²时η值为0.8，当从属面积1m²-10m²要按表A值给出体型系数η的折减系数。（详见《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版））折减系数是针对幕墙立柱、横梁和窗之中庭计算时，要对体型系数做插值求衰减系数时按下表A：

　　表A

　　β_Z—高度Z处的风振系数
　　μ_Z—风压高度变化系数
　　μ_S—风荷载体型系数
　　μ₀—当地基础风压值（kg/m²）

　　计算幕墙结构挠度时按标准值：
　　W_K=β_Zμ_Zμ_SW_O     —  （1）

　　计算幕墙结构强度时按设计值：
　　W_K设=β_Zμ_Zμ_SW_Oη_i   —  （2）

　　在验算幕墙围护结构内表面（封闭式建筑物）取-0.2或0.2。

　　（三）上面是《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）给出风压计算公式具体情况下面我们认为超高层或特殊异型外立面建筑物用上述公式不能完善真实反映风压值时，利用风洞测验的数据如何来修改上述公式，当然风洞试验数据主要影响了β_Zμ_Zμ_S，但主要影响最大的是μ_S（体型系数）和μ_Z（高度系数）根据大气边界层地貌指数α有关。

　　一般在做风洞试验时，我们会规定模拟大气梯度高度的概念，它是指由高度0_m-H_TO之间的高度会受到地面干挠效应影响的，它随高度变化到H_TO高度时，地面干挠效应为0，这时为地貌大气梯度高度。对B类地面粗糙度H_TO=350m，对于C类H_TO为400m。

　　（四）风洞给出的风压系数C_pi与幕墙表面（局部）体型系数的转换方法：

　　（1）当不考虑阵风脉动和风振效应时，幕墙表面垂直局部点上的风压Wi则有：

　　W_i=μ_siμ_zW_o

　　（2）在转换到荷载计算公式时，我们将给出一个高度转换系数r值，对B类地面粗糙度以H_TO=350m，利用系数0.616修正到400的B类高度转换系数

　　r_B=0.616(400/10)^0.44=0.312(因在我国H₀=10m时α为大气边界层地貌指数α=0.16)

　　r值对于C类高度转换系数

　　rC= (400/n)^0.44=5.069

　　（3）在计算幕墙外立面时GB50009-2001（2006年版）标准荷载计算公式中的μz高度系数可用上述高度转换系数后代换，实际上风洞试验中的所测的平均压力系数Cp和r之积，就是相当μ_zμ_s 即r.c_p=μ_zμ_s
　　在不考虑风振和脉动影响时，风荷载为
　　W_Z1=C_prW_o=μ_zμ_sW₀  —  （3）

　　考虑到风振影响时：
　　W_Z=β_ZC_prW_o=β_Zμ_zμ_sW₀  —  （4）

　　对B类地面粗糙度时：
　　W_Z=0.616(400/10)^0.44β_ZC_pW_o=0.312C_pW₀  —  （5）

　　对C类地面粗糙度时：
　　W_Z= (400/10)^0.44β_ZC_pW_o=5.07C_pW₀  —  （6）

　　显然风洞试验报告给出不同高度0-360度方向分段面积上的平均Cpmim和Cpmax值的结果在报告中。
　　我们设计时将分区段（不同立面上不同高度层面上的抗风区面积上）进行分层计算出幕墙四个立面或其他立面上的风压荷载，并大胆运用在结构强度、刚度计算上。

　　（五）更为直接地将风洞试验中的压力系数Cp与建筑幕墙外立面上局部体型系数μs的转换方法在上节提到了，将风洞试验中的压力系数平均值通过Cpmim或Cpmax通过高数转换系数r值之积，即r.Cp=μ_zμ_s方法代入荷载公式求出风压荷载，但在使用过程中有此不方便，Cpmim或Cpmax太多，费时间，近来风洞试验单位往往直接测得作用在幕墙上的体型系数代入荷载计算公式中的方法，目前风洞试验报告会给出0-360风向角下（Δβ=150或Δβ=100）的不同分区或随高Ho-Hmax高度区间的Cp平均风压系数和体型系数，以及计算出实际风压的标准值，例如下面是一个实际高层风洞试验报告中给出的体型系数和风压表

　　三、对超高层动态抗风计算和风致振动计算

　　1、这类动态计算应委托全国能进行风洞试验单位给出，我们只是应用。
　　2、具体抗风致振动响应和静力荷计算应以下风洞试验给出办法（由风洞试验单位给出）。
　　1) 非定常空气动力谱的描述方法。
　　2) 平稳激励下线缍系统的随机风致振动。
　　3) 等效力风荷载方法。

　　参考文献：
　　1．北京大学低速风洞试验报告（2004、2005年试验报告）
　　2．同济大学风洞试验报告
　　3．GB50009-2001（2006年版）《建筑结构荷载规范》
　　4. JGJ-102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》