高层建筑风敏感性及风振控制方法简述

高层建筑风敏感性及风振控制方法简述

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（南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系，南京，210016）

摘要：针对高层建筑结构的抗风特性，在考虑风荷载的影响因素及特点基础上，根据结构风振分析的基本理论，就脉动风荷载特性与结构动力特性进行分析，并引出结构风敏感度的概念。通过对风敏感度分析，验证了部分相关理论的可靠性，能在一定程度上反映结构的风振响应本质特征，实现了对结构风敏感度问题的客观、定量描述。同时，介绍了常用抗风设计控制方法，引出了高层建筑结构抗风设计的一些原则和舒适性条件。

关键词：风荷载；风敏感度；风振特征；抗风控制方法；舒适性

Wind-sensitivity and wind-resistant control

of high-rise structure

Yu Chaofan

(School of Civil Engineering, College of Aeronautice and Space,

Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)

Abstract: In consideration of the wind-resistant characteristics of high-rise structure, factors and features of wind load are of great significance in the structural vibration analysis. According to the basic theory, while analyzing the characteristics of fluctuating wind load and structural dynamic, it smoothly draws out the concept of wind-sensitivity. Besides, through the analysis of wind-sensitivity, it verifies that the related theories are of reliability, which reflects the essential characteristics of wind-induced response. And it describes the problems about wind-sensitivity objectively and quantitively. At the same time, some common control method of wind design are also introduced, in wich it leads to some principles of wind design and comfort conditions of high-rise structure.

Key words: wind load; wind-sensitivity;characteristics of wind vibration; wind-resistant control; sense of comfort

引言

近年，我国兴建了许多的高层建筑结构，为众多城市抹上一份不同的色彩。对于高层建筑结构而言，其结构设计的显著特点之一就是侧向荷载是其最主要的控制因素。除地震荷载外，高层建筑、高耸结构的主要侧向荷载是风载。由于高层建筑、高耸结构具有柔度大、阻力小、迎风面大等特点，由风荷载引起的结构静、动力反应在整个结构反应中所占的比重较大。对于非地震区及沿海等强风地区来说，风荷载往往是结构设计中控制性荷载。

因此，对高层建筑结构进行抗风设计研究具有十分重要的现实意义。而在结构抗风设计理论中，风荷载和结构风敏感度是其基础性问题，它可以使结构的抗风研究更具有针对性。同时，风振控制方法也是当前抗风研究重点之一，它增大了高层建筑结构的可靠性。本文将就这几个问题进行简单分析。

1.风荷载的特点

1.1 风荷载的特点

风荷载是控制高层建筑结构设计的重要侧向荷载，正确考虑风力的作用，关系到结构设计的合理性和经济性。

对于高层建筑而言，风是一种持续时间较长的随机荷载。风对结构物体的作用，使结构产生震动，其产生的原因主要有以下三种：

1）顺风向的风力作用，它包括平均风（静压力）和脉动风（动压力），其中脉动风（动压力）引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑；

2）结构物背后的漩涡引起结构物的横风向的振动；

3）由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。

对于高层建筑来说,脉动风的作用是不容忽视的，因此在确定风荷载的试验中，模型风洞试验是必不可少的。

1.2 风荷载分类

1.2.1 顺风向荷载

顺风向风荷载，即与风的方向一致的风力作用，是高层建筑承受的主要荷载。但随着城市空间的日益紧密，高层建筑之间的距离越来越小，相邻建筑之间顺向风的干扰也越来越明显。

1.2.2 横风向荷载

当高层建筑的高宽比较大时，横向风动力响应的干扰效应要大于顺向风荷载。但结构横向风响应的激励机制往往比较复杂，一般认为主要是由顺向风紊流、横向风紊流和尾流激励三者共同作用产生的，但是由于横风向响应产生的机制比较复杂，影响因素比较多，至今还没有成熟的理论和计算方法。

1.2.3 扭转风荷载

扭转响应是因气动荷载瞬时作用点与结构的质量和刚度中心不重合引起的。高层建筑扭转风振会增大截面边界附近的位移与加速度，对于高宽比较大的高层建筑物，尤其是建筑物形状不规则，迎风面较大的建筑，扭转风荷载响应大大增加，可成为建筑物边界点响应中的主要因素；此外由于高层建筑中的舒适性要求较高，在高层建筑的设计中必须考虑到扭转风荷载的响应问题。[1]

2.结构风敏感度

2．1 结构风敏感度的定义

风敏感度反映了结构在脉动风作用下响应的显著程度，主要受到尺度、频率和模态3个关键效应的影响。因此，要定量刻画结构风敏感性问题，一个最直接的想法是，将包含上述3种效应的结构响应与不包含这

3种效应的结构响应作比值。由此可得到结构风敏感度的定义为：结构风敏感度是表征结构真实脉动风响应与某一基准脉动风响应的比值。即风敏感度为风敏感性的定量指标，反映了结构脉动风响应的显著程度，风敏感度数值愈大，表明结构的脉动风响应愈显著。

依据上述定义，要确定结构的风敏感度需要解决以下两方面问题：

(1)合理确定结构的某种响应作为分析对象

结构的脉动风响应可以从多个方面来描述，如节点位移、杆件内力、支座反力、系统应变能等；从以往研究来看，采用不同的响应指标来衡量结构的风振响应特性，结果可能是不同的。为此，需要对采用不同指标的合理性进行考察。这里的“合理性”包含两层含义：一是计算要相对简单，具有工程可操作性；二是要具有较好的规律性，便于区分不同结构的风敏感程度。基于以上考虑，并通过大量试算，本文最终确定以系统应变能作为计算结构风敏感度的响应指标，其优点是：1)系统应变能可以从宏观上反映结构的整体响应特性，而位移或内力等响应指标仅能够反映结构某一节点或杆件的特性；2)系统应变能与结构位移和内力响应都有密切联系，而后两者恰恰是实际工程设计中较为关心的响应指标。

(2)定义基准脉动风响应

确定脉动风响应基准态的指导思想是，寻找一种不包含上述3种效应的理想状态。为此，本文将基准态假定为“点状刚性结构”。“点状”是指结构受荷面积足够小，可认为