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第七章
建筑构件和覆层的风荷载
Gregory A. Kopp
摘要：建筑构件和覆层对于极端风暴期间建筑物的整体性能非常重要。即使相对较小的组分的失效也会导致内部增压，这会增加其他构件的总净负荷，或者导致雨水渗入，从而增加损失。在本章中，我们将重点放在低层建筑的风荷载的性质以及用于确定建筑产品和构件的极限承载能力的测试方法。已证明风荷载具有显着的空间和时间变化，这在建筑规范和标准测试方法中大大简化。大多数建筑规范将部件载荷指定为单个峰值，在小型建筑物的不同建筑物表面上只有几个不同的值。许多建筑组件具有复杂和冗余的负载路径；本章讨论了如何在这样的系统中处理负载分配。某些建筑构件和覆层系统的设计取决于风暴持续时间和负载循环的次数，这也将进行讨论。
关键词：钝体空气动力学；覆层；低周疲劳；压力均衡；静态疲劳；风荷载
7.1绪论
建筑构件和覆层系统在严重风暴中的性能对于确保生命安全和减少损失非常重要。由于通过外壳中形成的开口进水，单个面板的故障或损坏可能会显着增加损失。例如，当迎风墙上的部件发生故障时，可以通过内部增压来增加屋顶、侧壁和下风壁上的净风荷载。这种加压会导致后续的失效，增加建筑物内部和外部的生命安全风险。单个屋顶面板的损失可能导致大量损失，因为雨水会损坏室内的东西和内饰。
设计的风荷载通常被定义为：
其中Fa是负载，q是动态风压，Ce是暴露因子，Cpa是有效压力（或负载）系数，Cg是阵风因子。对于这个表达式的简单明了，实际上有很多微妙之处，因为Fa实际上是一个等效的静态负载，Eq.（7.1）将风的气候（通过q）、风荷载和响应联系起来。这是众所周知的负载作用于主要结构，但它作用在建筑组件上也是一种情况。但是，Cpa通常仅由气动压力决定，如下所述。
建筑构件和覆层系统通常是超静定的，具有复杂和冗余的载荷路径，使用的材料往往是非结构性和高度可变的，但可能对容量贡献很大。对于许多构件和覆层系统，共振效应可以忽略不计，因此，在t时刻，具有名义支流面积A，位置为zeta;的构件的有效压力或负载系数Cpa（zeta;，t）写成：
其中I（x，y，z）是结构影响函数
Cpe是位置（x，y，z）处的外部压力系数，pe是外部压力，po是静态压力。在I（x，y，z）非零的区域A1内积分，而归一化通常在章节7.3定义的名义支流区域A上进行。因此，Cpa（zeta;，t）取决于空气动力学和结构因素。这由图7.1说明。
图7.1 测试房屋顶部外部风压的空间梯度云图。插图A：单个点处的风洞压力系数，在3 m2的区域内取平均值。插图B：考虑没有负载时，单个屋顶到墙面连接的施加载荷系数（RTWC），无负载分配（弹性）和完美的负载分配（刚性）。插图C：RTWC-S3在插图B所示的负载下的位移（来自Morrison等，2012）
图7.1给出了具有人字形屋顶的低层建筑的例子。外部压力系数Cpe的空间变化可以通过图形主要部分的色彩轮廓来看出，它显示了某个时刻的系数状态，其值大约从0到3.0。事实上，这是单一最大幅值点压力的时刻，其发生在屋脊附近。压力系数在这一点的时间历程在图7.1的插图A中给出，其显示了吸力增加（即负压）的“阵风”在约3秒内发生，实际峰值为持续时间很短（即远低于一秒）。考虑方程（7.2）和典型建筑构件的大小，这种单点压力并不十分相关。但是，如果考虑到这种屋顶上的典型覆盖板的尺寸，例如3平方米，对于这种特殊情况，峰值系数Cpa可以看作减少了约3倍。其原因是空间压力梯度较大，在这些较大区域上的平均值比单点处的空气动力系数小得多。就时间压力梯度而言，图7.1的插图A也表明，即使对于空间平均载荷，最大的波动也会间歇发生。
由于作用在屋顶上的隆起力，需要有垂直的载荷路径来抵抗这些力。对于木屋顶，桁架间距相对较近，每个屋顶桁架与墙之间有连接（Morrison et al.2012）。插图B显示了这种屋顶连接处的两个载荷可能的时间历程，标记为“RTWC-S3”。有一段时间历程假设屋顶是刚性的，而另一个假设屋顶是弹性的。综合方程（7.2），考虑到这些假设，导致在每个连接处不同的负载，在弹性屋顶的最坏负载连接处具有高得多的负载。当然，与刚性屋顶相比，弹性屋顶具有最小的荷载分配，因为在更高刚度的屋面的更大面积上，影响函数I的值不为零。如插图B所示，结构系统如何重新分配施加的压力对净负荷有显着的影响。这种重新分配对确定测试方法而言非常重要，因为实际的负载路径对极端条件下的性能有重大影响。插图C显示了连接的实际测量位移; 细节可以在Morrison等人的文章中找到。（2012年）。
图7.2建筑规范中给出的典型风荷载示意图，包括外部和内部压力（来自Henderson 2010）
建筑规范，如ASCE 7-10（2010），通过使用方程（7.1）明确地说明了这些风荷载，或者通过规定的设计要求或标准化的测试来说明。对于直接依赖于方程（7.1）的构件设计，建筑规范通常将空间压力变化简化为几个区域，每个区域具有恒定的压力，而时间效应通过提供单个峰值（通过统计方法获得）来解释。这由图7.2说明。通过为一系列典型形状提供系数来处理建筑几何的影响。此外，典型地，在部件或覆层单元的支流区域内，在假设I=1的情况下提供面积平均压力系数。因此设计人员可以为任何特定构件或系统建立正确的有效区域。在某些情况下，这很简单；在其他情况下，情况并非如此。
在本章中，我们将研究（低层）建筑物的风荷载性质以及它们如何被简化以用于建筑规范和标准化测试协议。特别要检查将空气动力学与响应联系起来的假设。风荷载在第二部分7.2中进行了检查。而部分典型构件或覆层系统的响应，以及它们如何修改设计风荷载，在第三部分 7.3进行了讨论。在第四部分7.4，我们强调一些标准化的测试方法。还引入了新的先进测试方法，这些方法减少了对标准化测试和建筑规范解释中使用的许多假设的需求。所有例子都适用于低层建筑（这是最常见的建筑类型），但所讨论的概念同样适用于所有建筑物的构件和覆层。
7.2建筑物的风荷载
风荷载取决于许多参数，包括风场，风向，alpha;，地形粗糙度和周围环境，雷诺数Re，以及建筑物的形状和大小。所有风洞试验的理论基础是包含与被测现象有关的所有参数的无量纲群组的相似性。 对于建筑物的压力，这会导致
对于平地上的单个孤立建筑物，统一的地形，其中建筑物尺寸被标准化，比如说高度H，注意到Re=VH /nu;。使用詹森指数zo / H，意味着大气边界层可以由单个参数定义，即空气动力学粗糙度zo，它将平均速度公式和湍流细节联系起来。
由于风引起的压力取决于大量的参数，所以它们具有很大的变化并不奇怪。我们可以将这些变化归类为与建筑物外表面的位置（空间变化），时间变化，几何效应，传递到建筑物内部的压力以及风向有关。这些在下面的章节中讨论。
7.2.1 建筑形状压力的空间变化与几何效应
图7.3和7.4显示了具有多种屋顶形状，屋顶坡度，屋檐高度和风向的低层建筑的平均压力系数。非常明显的是，这些建筑物的压力和压力分布的大小存在很大差异。风在边缘（即屋顶边缘，脊线或墙边）与建筑物表面分离，如果建筑物足够大，则在下风向再次重新附着。虽然风中的湍流特征也会影响这一过程，特别是改变重新附着点和分离区内压力的大小，但建筑物的形状起着实质性的作用。图7.3表明，当斜向一个墙壁时，屋顶坡度改变了形成在屋顶前角的两个圆锥形涡流的强度，当坡度发生变化时，甚至改变了基本的压力模式。图7.4显示当风倾斜于墙壁之一时，墙体的大小改变了在前角形成的两个圆锥形涡流的强度。比较图7.3的上部和下部，显然风向也是影响风荷载的重要参数。所以，建筑物表面的压力的空间变化也是显而易见的，并且这些显然取决于建筑物的几何形状。改变风的特征，例如通过改变地形从开阔到郊区，也会改变幅度和一些与空间模式有关的细节。改变周围环境的建筑物可能会产生更大的影响。
图7.3 不同屋顶坡度的人字形屋顶两种不同风向的平均压力系数
至少有三个原因，使得外部压力的空间梯度至关重要。首先，它们影响面积平均压力系数Cpa，如图7.1和图7.5所示。其次，它们表明位于建筑物表面上不同位置的构件承受不同的载荷，并且从覆层通过子结构到主要结构的载荷路径可能会很难去分析定义。第三，空间梯度影响多层屋面和墙体系统的压力均衡，如章节7.2.3所述。
图7.4 不同屋檐高度的人字形屋顶建筑物的平均压力系数
图7.5 位于不同屋檐高度附近的不同支流区域（包括具有最大最小压力的点）的压力变化（来自Surry et 2007）
图7.5显示了作用于屋顶不同尺寸区域的外部压力的时间历程，其中包括在屋顶建筑物中在转弯风向中观察到最大峰值局部吸力的瞬间。正如Surry等人所讨论的那样（2007年），横轴是全尺度时间，采用基于严重热带气旋的时间尺度。图中显示了两条不同的时间轴，左边的一条说明了这些问题的整体性质，以及右边的扩展视图，突出显示了最大峰值周围的细节。峰值的上升和下降大约需要0.2秒，而且很明显，平均值越大，区域越大的效应[使用方程（7.2）与 I=1]的目的是降低区域平均压力中的振幅和较高频率分量。因此，由于风的湍流以及在建筑物边缘处的低分离而产生的空间梯度以及由建筑物形状引起的平均梯度，与单点处的最差峰值压力相比，降低了整体负荷。因此，由于面积平均值中包含较大的面积，所以峰值压力的幅度在该面积上下降。在图7.5中，对于这种特殊情况，点压力和面积1.5平方米（16平方英尺）之间的差值是4倍。
这些压力特征在整个建筑物表面上或多或少地重复。对于一系列典型（和理想化）建筑形状，建筑规范通过为建筑物上不同位置或区域提供压力系数来处理这些空间变化。关于建筑规范的章节给出了一个这样的图表的例子，这个图表也可以在所有的主要建筑规范中找到。设计者只需要为正在设计的组件选择适当的支流区域。如果组件需要标准化测试，则通常会使用这些准均匀的规范压力来评估组件的容量或性能。对于许多系统来说，均匀负载完全适合于设计；然而，在某些情况下，空间变化对性能至关重要，因此考虑到负载是均匀的，可能是不安全的。
7.2.2风荷载的时间变化
峰值压力的时间变化和间歇性在章节7.2.1中讨论，关于图7.1和图7.5。如上所述，由于建筑物边缘处的分离和风中的湍流所产生的湍流，峰值压力的持续时间非常短。然而，重要的是强调与这些波动有关的一系列尺度，能量高达大约10 Hz。因此，当特定元件的固有频率低于此值时，可能需要评估可能的谐振效应。时间变化对于对疲劳，低周疲劳或静态疲劳敏感的构件也很重要。在这些情况下，考虑到负载周期的数量和大小，有必要考虑风暴的持续时间（或设计寿命期间的风暴）。
在风暴期间作用在建筑物上的风振压力取决于几个额外的参数，超出了由方程（7.4）描述的建筑和风力参数。这些主要是风暴的大小和平移速度，然后设定实际的风载荷时间历程。为了理解这一点，我们引入了图7.6中给出的理想化的热带气旋，而细节可以在Jancauskas et al.（1994）和Kopp et al.（2010,2012）中找到。图7.6描绘了这种理想风暴的平均（平均15分钟）风速和方向的变化。使用来自风洞实验的测量压力数据，使用方程（7.3）将建筑物屋顶上一小段覆层的Cpe时间历程转换为全尺寸压力，并呈现在图中。包层区域面积为0.15平方米，这是与单个屋顶紧固件相关的支流区域的典型区域。这种紧固件不仅要承受由风暴引起的峰值负荷，还必须承受由间歇性的脉动压力引起的所有负荷循环。
图7.6显示观察到的峰值载荷中存在明显的“随机性”。这是由于风荷载的随机性。在此图中，显示了实际峰值，而不是从原始风洞数据获得的统计峰值。因为峰值压力是由于上游（边界层）湍流与建筑物产生的湍流之间的非线性相互作用造成的，所以它们相对较少，因此概率密度函数是非高斯的。观察到顶部某些位置的峰值因子高于15，峰值因子8并不少见（例如Kopp et al。2005）。因此，设计标准考虑了具有特殊超标概率的峰值压力（Cook，1990）。值得强调的是，大风持续的时间越长，获得高峰值压力的可能性越高，并且负载循环次数越多。
7.2.3内部压力和压力平衡
当建筑外壳开口时，压力和荷载可以进入内部空间。当这样的开口位于墙壁中时，例如打开的门或破碎的窗户，内部容积可以被加压。在这种情况下，净负荷被改变成这样
其中Cpn是穿过墙壁或屋顶组件的净压力，Cpi是内部压力。内部压力通常是大致均匀的，因此空间相关性不在外部压力和净压力下给出。如果墙壁或屋顶构件是单层，那么Cpn是根据方程（7.2）确定加载在覆层和构件的净压力。如果墙或屋顶部件是由多层组成的组件，则Cpn是整个构件的净负载。内部压力理论已经很成熟（Holmes.1979），并且足以准确预测风洞研究的结果（Oh et al.2007）。
图7.6压力加载时间历程的示意图（底部），表明风暴时间历程（顶部）加上来自风洞实验的空气动力学数据的组合（中）（来自Kopp et al.2012）
对于多层墙体或屋顶构件，当开口是由建筑外壳的外表面的缝隙形成时，则内部空间是墙壁或建筑屋顶中各层之间的相对较小的体积。这种开口既可以是故意的，例如用于防雨幕墙或侧壁，也可以是无意的，例如
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