风荷载和地震作用对高层钢结构建筑的影响及设计方法
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2 2 p z wH B GB z GR 1 z
（2）
高层钢结构建筑的横风向风致响应受到多方面因素影响， 包括对振型的修正、 背景分量的计算等等，在顾明等人的研究中[4]，通过典型计算实例表明，振型修 正对基底剪力和弯矩响应的影响不大，通常在 5%以内，但是振型对建筑顶部加 速度的响应影响较大， 所以在高层建筑的舒适性设计中应考虑建筑振型对加速响 应的影响； 气动阻尼在折算风速较低时对响应的影响很小，而在折算风速较高时 对响应较大；背景分量的影响水平则与气动阻尼相反。 在对风荷载对高层钢结构影响的研究中，舒适度一直被人们所关注。高层建 筑和超高层建筑的钢结构，由于高度迅速增加，使得结构的阻尼比变小，风荷载 对高层建筑的影响变得更加显著， 高层建筑结构特别是超高层钢结构中风运动的 人体舒适度己上升为控制和首要的因素。在水平侧向力的作用下，高层建筑结构 发生振动，如振动达到某一限值时，人体开始出现某种不舒适的感觉，我们称这 种针对居住者的舒适感而言的振动效应分析为舒适度分析。 舒适度是居住环境所 追求的目标，由许多因素所构成，包括生理的方便、心理的愉快和功能的和谐。 一些研究表明， 仅振幅的大小并不能完全反应居住者的舒适度，还需考虑频率的 影响，只有当二者达到某一种关系时才能让居住者感到不舒适感[5]。衡量人体舒 适度的标准有多种， 目前较为公认的方法为采用最大加速度响应进行判断，国外 规范和很多专家也提出了一些别的计算结构物加速度的方法和限值标准。 在风荷 载的作用下， 高层建筑结构的加速度响应在不同楼层处不同，一般在顶层的加速 度响应最大，所以我们衡量人体舒适度的最大加速度指的是结构顶层的加速度 （ （2）-[29]） 。
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紊流引起结构横风向振动， 而风致扭转效应只对矩形或者不规则高层建筑响应较 大，对圆柱形细长结构响应很小，通常忽略不计，自激振动反应指与结构运动相 关的动力风荷载引起的振动。 根据风洞试验结果表明，高层钢结构建筑横风向动力响应通常比顺风向大[3]， 但是与顺风向风荷载相比， 横风向风荷载的形成机理要复杂许多。对于高层与超 高层建筑的横向风致响应及等效静力风荷载的计算， 首先要获取结构参数与风环 境参数，然后计算横风向基底弯矩系数、共振响应峰值因子、横风向广义气动力 模态修正因子等量，由各项计算量最终通过公式（2）来计算结构横风向等效静 力风荷载 p z ，然后可得结构的加速度响应以及弯矩、剪力等其他横风向风致 响应。
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比如偏柔的超高层、大跨空间结构可能会产生流固耦合效应[2]。 在我国的荷载规范关于风荷载的计算中， 高层钢结构建筑需要考虑风振影响， 对其顺风向响应的计算见公式（1） ：
wz z s z w0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）
其中， wz 为任一高度 z 处的等效风荷载， z 为风振系数，考虑脉动风下动 力影响的总等效系数， s 为结构在 z 高度处的体型所需调整的风荷载体型系数，
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风荷载和地震作用对高层钢结构建筑的影响及设计方法
摘 要：随着建筑科技的日益进步，高层钢结构建筑得到迅猛发展，人们对于高 层钢结构体系的研究日趋完善， 包括理论研究和工程设计。 风荷载和地震作用是 钢结构设计中至关重要的两大动力荷载， 这两种荷载对高层钢结构的强度和稳定 都会产生很大影响。 本文详细介绍了高层钢结构建筑在风荷载和地震作用下的动 力响应， 并根据规范要求以及国内外学者的相关研究，总结概括了针对风荷载和 地震作用的设计理论和设计方法。 关键词：高层钢结构；风荷载；抗风设计；地震作用；反应谱
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第一章. 前言
随着社会建设需求的不断增加和建筑科技的日益进步， 钢结构正在建筑领域 扮演着越来越重要的角色。我国由于经济和技术相对落后的原因，在 80 年代以 前尚没有一幢钢结构建筑， 80 年代中期， 高层钢结构建筑在我国开始出现， 1985 年， 我国兴建了第一幢高层钢结构建筑 “深圳发展中心大厦” 。 从 1990 年到 1994 年我国高层钢结构建筑建设停顿了几年，而自近两年来，由于人们对高层及超高 层建筑结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高， 使高层和超高层建筑迅猛发展，又重新形成了高层钢结构建筑新高潮[1]。从总体 情况来看，我国高层钢结构起步虽然较晚，但发展迅速。一些重要的工程比如： 香港中国银行大厦、首都国际机场、上海金茂大厦、中央电视台新址大楼已经成 为我国科技进步的象征， 在国内外产生了一定的影响同时，与此相应的高层钢结 构的科学研究、设计及施工等方而均取得了较大进展，在钢结构的优化设计、制 作安装方面都达到了较高的水平。 对于低层房屋结构设计而言， 起控制作用的一般是以重力为代表的竖向荷载， 而高层钢结构建筑的荷载主要是以风荷载和地震作用为主的水平荷载， 它们成为 结构设计的决定性因素。 随着结构高度的增加，水平荷载对于结构的影响急剧增 加。在高层钢结构建筑的设计过程中，由于高度的增加，结构刚度减小，风荷载 与地震作用将使得结构产生过度的振动和变形。 尤其是对于现在一些体型独特并 具有高柔特性的高层建筑，对风荷载比较敏感，当建筑位置位于沿海地区时，若 考虑台风作用， 风荷载在结构设计中将起到控制作用。同时为了满足使用功能和 艺术审美的双重需求，高层钢结构建筑在不断发展过程中，不仅高度逐渐增加， 建筑体型和结构布置也日趋复杂多变。 当另一项十分严重的自然灾害——地震发 生时， 这种高层建筑有可能会发生严重的次生灾害。因此针对此类建筑物在地震 作用下的性能分析和优化设计就显得十分必要。 针对风荷载和地震作用对高层钢结构的作用， 国内外许多学者已经做过相关 研究，包括对风荷载的分析研究、风洞试验的模拟以及数值模拟技术的发展，对 地震荷载包括其理论分析和实际设计。动力分析比静力分析要更为复杂，因此对 风荷载和地震作用的研究一直未停止，目前已经有所成果，相应的理论体系已经 逐步建立并成熟，但是仍有部分问题亟待解决。
EFFECT AND DESIGH METHOD OF WIND LOAD AND EARTHQUAKE ON HIGH-RISE STEEL BUILDING
Abstract: With the progress of building technology, high-rise steel structure building get rapid development, and the study of high-rise steel structure system is increasingly perfect including theoretical research and engineering design. Wind load and earthquake action is vital in the design of steel structure dynamic load which have an important effect on the strength and stability of high-rise steel structure. High-rise steel structure building are introduced in detail in this paper on the dynamic response under wind load and earthquake action, and according to the requirements specification and the related research of scholars at home and abroad, the summary to the wind load and earthquake action of design theory and design method is also presented. Keywords: High-rise steel building, Wind load, Wind resistance design, Earthquake, Response spectrum
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第二章. 高层钢结构建筑风荷载作用与抗风设计
2.1 风荷载作用
2.1.1 风荷载的形成 风指的是空气的水平运动， 一般是由气压高处向气压低处流动而形成。太阳 的辐射热在地球周围的分布不均匀使得大气是不断运动的。大气是物质，自然就 有能量， 从地表面一直向上的整个大气柱对它下面的地表面和物体便有压力，单 位面积上承受的这种压力，叫做气压。各个地方大气压有高有低，例如一个地方 上面的空气冷，密度就大，气压也就大些;另一个地方上面的空气暖，密度就小 些，气压也就小些，这样，空气就从气压大的地方向气压小的地方流动。因此风 产生的直接原因是气压在水平方向上的不均匀分布。 风速的主要部分是大小和方向保持不变的平均风， 另外叠加一部分在方向和 大小上不断变化的脉动风。表征风特性的参数包括： （1）平均风速剖面； （2）紊 流风速剖面； （3）脉动风速谱以及（4）湍流积分强度等等。可以根据伯努利方 程由风速来确定风压。 风压对于结构或构件将产生过大的内力和不稳定，使得结 构物产生过大挠度或者变形，有可能引起外墙和装饰材料的破坏。 2.1.2 风荷载的组成与特性 风荷载对于建筑物的作用是一个随机的过程，其包括三个部分：平均风压产 生的平均力， 脉动风压所引起的随机脉动力以及由于风致建筑物振动产生的惯性 力。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其 他物理量都看成不随时间而改变的量， 由于风的长周期远远大于结构的自振周期。 可等效为静态作用处理，应用结构静力 计算。脉动风的强度是随时间按随机规 律变化的，由于周期较短，应用随机振动理论进行分析。 按照风对于建筑物作用力的方向不同可以分为：1）在建筑物的迎风面上产 生的压力（气流流动产生的阻力） ；2）在横风向产生的横风向干扰力（气体流动 产生的漩涡扰力与湍流脉动压力） ；3）空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的 涡流干扰力（包括背风向的吸力） 。当需要准确确定风荷载分布时，需要依靠模 型风洞试验来实现。 风荷载的作用与空间位置及时间的不确定性有关，受地形、地貌、周围建筑 环境等因素共同影响， 其具有静力和动力的双重特点，动力部分即脉动风的作用 会引起高层钢结构建筑的振动。除此之外，风荷载也与结构的几何外形相关，结 构体系的不同部分对风的敏感程度也不尽相同， 当结构尺寸在多个方向上比较接 近时，需要考虑空间相关性对风荷载的影响。对于具有显著非线性特征的结构，
z 为所在场地地貌高度 z 处的风压高度变化系数， w0 为标准地貌下 10m 高度处
的风压，称为基本风压。 除了主要承重结构，对于围护结构，我国规范指出，由于其刚性一般较大， 在结构效应中可以不考虑其振动分量。此时可以仅仅在平均风压的基础上，近似 考虑脉动风瞬间的增大因素， 原则上可以通过局部风压体型系数和阵风系数来计 算风荷载。 2.1.3 高层钢结构风致响应分析 一般来说， 强风是比地震更常见的动力作用，隔震建筑极大地减小了结构的 地震响应， 同时， 由于结构水平刚度的降低， 在风荷载作用下会产生较大的运动。 与地震作用相比较，风力作用的持续时间较长，有时甚至几个小时，发生的频度 也比地震高出许多。 风对结构的作用会使建筑物产生以下的损伤或破坏： （1）使结构物或结构构 件受到过大的风力或不稳定； （2）使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形， 引起外墙面、外装修材料的破坏； （3）由于反复的风振作用引起结构或构件的疲 劳损坏； （4） 使结构物在风力作用下产生加剧的气动力， 导致气动弹性的不稳定； （5）过大的动态运动使结构物内的居住者产生不舒适感。 高层建筑的特点是长细比较大，在动力荷载作用下易产生振动和变形。长期 并且频繁的中、 低风作用使高层建筑某些局部构件产生疲劳破坏，从而使整个结 构失稳。当高层建筑的自振频率接近风的卓越频率时，结构响应进一步加剧，风 振的影响非常显著。 据统计， 结构由于风灾产生的破坏占结构破坏总数的大部分。 由于气流的惯性和粘性， 风流经非流线型的高层建筑时，会产生复杂的流固 相互作用效应，主要表现为气流的分离、再附着、涡的形成和脱落以及尾流的发 展，同时产生气动力。风荷载对高层建筑有明显的三维荷载效应，按照气动力的 合力方向， 风荷载对建筑的作用主要分为顺风向荷载、 横风向荷载、 扭转风荷载。 在三维气流流动中， 顺风向有平均风和脉动风的共同作用；而在与平均风垂直的 水平方向，即横风向以及竖直方向仅有脉动风作用。因此，对于建筑结构，其风 效应主要包括： 顺风向效应、 横风向效应， 风致扭转效应及结构的自激振动反应。 顺风向效应对建筑结构起主要作用， 横风向效应主要由尾部漩涡脱落以及横风向
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高层钢结构建筑的横风向风致响应受到多方面因素影响， 包括对振型的修正、 背景分量的计算等等，在顾明等人的研究中[4]，通过典型计算实例表明，振型修 正对基底剪力和弯矩响应的影响不大，通常在 5%以内，但是振型对建筑顶部加 速度的响应影响较大， 所以在高层建筑的舒适性设计中应考虑建筑振型对加速响 应的影响； 气动阻尼在折算风速较低时对响应的影响很小，而在折算风速较高时 对响应较大；背景分量的影响水平则与气动阻尼相反。 在对风荷载对高层钢结构影响的研究中，舒适度一直被人们所关注。高层建 筑和超高层建筑的钢结构，由于高度迅速增加，使得结构的阻尼比变小，风荷载 对高层建筑的影响变得更加显著， 高层建筑结构特别是超高层钢结构中风运动的 人体舒适度己上升为控制和首要的因素。在水平侧向力的作用下，高层建筑结构 发生振动，如振动达到某一限值时，人体开始出现某种不舒适的感觉，我们称这 种针对居住者的舒适感而言的振动效应分析为舒适度分析。 舒适度是居住环境所 追求的目标，由许多因素所构成，包括生理的方便、心理的愉快和功能的和谐。 一些研究表明， 仅振幅的大小并不能完全反应居住者的舒适度，还需考虑频率的 影响，只有当二者达到某一种关系时才能让居住者感到不舒适感[5]。衡量人体舒 适度的标准有多种， 目前较为公认的方法为采用最大加速度响应进行判断，国外 规范和很多专家也提出了一些别的计算结构物加速度的方法和限值标准。 在风荷 载的作用下， 高层建筑结构的加速度响应在不同楼层处不同，一般在顶层的加速 度响应最大，所以我们衡量人体舒适度的最大加速度指的是结构顶层的加速度 （ （2）-[29]） 。
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紊流引起结构横风向振动， 而风致扭转效应只对矩形或者不规则高层建筑响应较 大，对圆柱形细长结构响应很小，通常忽略不计，自激振动反应指与结构运动相 关的动力风荷载引起的振动。 根据风洞试验结果表明，高层钢结构建筑横风向动力响应通常比顺风向大[3]， 但是与顺风向风荷载相比， 横风向风荷载的形成机理要复杂许多。对于高层与超 高层建筑的横向风致响应及等效静力风荷载的计算， 首先要获取结构参数与风环 境参数，然后计算横风向基底弯矩系数、共振响应峰值因子、横风向广义气动力 模态修正因子等量，由各项计算量最终通过公式（2）来计算结构横风向等效静 力风荷载 p z ，然后可得结构的加速度响应以及弯矩、剪力等其他横风向风致 响应。
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比如偏柔的超高层、大跨空间结构可能会产生流固耦合效应[2]。 在我国的荷载规范关于风荷载的计算中， 高层钢结构建筑需要考虑风振影响， 对其顺风向响应的计算见公式（1） ：
wz z s z w0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）
其中， wz 为任一高度 z 处的等效风荷载， z 为风振系数，考虑脉动风下动 力影响的总等效系数， s 为结构在 z 高度处的体型所需调整的风荷载体型系数，
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风荷载和地震作用对高层钢结构建筑的影响及设计方法
摘 要：随着建筑科技的日益进步，高层钢结构建筑得到迅猛发展，人们对于高 层钢结构体系的研究日趋完善， 包括理论研究和工程设计。 风荷载和地震作用是 钢结构设计中至关重要的两大动力荷载， 这两种荷载对高层钢结构的强度和稳定 都会产生很大影响。 本文详细介绍了高层钢结构建筑在风荷载和地震作用下的动 力响应， 并根据规范要求以及国内外学者的相关研究，总结概括了针对风荷载和 地震作用的设计理论和设计方法。 关键词：高层钢结构；风荷载；抗风设计；地震作用；反应谱
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第一章. 前言
随着社会建设需求的不断增加和建筑科技的日益进步， 钢结构正在建筑领域 扮演着越来越重要的角色。我国由于经济和技术相对落后的原因，在 80 年代以 前尚没有一幢钢结构建筑， 80 年代中期， 高层钢结构建筑在我国开始出现， 1985 年， 我国兴建了第一幢高层钢结构建筑 “深圳发展中心大厦” 。 从 1990 年到 1994 年我国高层钢结构建筑建设停顿了几年，而自近两年来，由于人们对高层及超高 层建筑结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高， 使高层和超高层建筑迅猛发展，又重新形成了高层钢结构建筑新高潮[1]。从总体 情况来看，我国高层钢结构起步虽然较晚，但发展迅速。一些重要的工程比如： 香港中国银行大厦、首都国际机场、上海金茂大厦、中央电视台新址大楼已经成 为我国科技进步的象征， 在国内外产生了一定的影响同时，与此相应的高层钢结 构的科学研究、设计及施工等方而均取得了较大进展，在钢结构的优化设计、制 作安装方面都达到了较高的水平。 对于低层房屋结构设计而言， 起控制作用的一般是以重力为代表的竖向荷载， 而高层钢结构建筑的荷载主要是以风荷载和地震作用为主的水平荷载， 它们成为 结构设计的决定性因素。 随着结构高度的增加，水平荷载对于结构的影响急剧增 加。在高层钢结构建筑的设计过程中，由于高度的增加，结构刚度减小，风荷载 与地震作用将使得结构产生过度的振动和变形。 尤其是对于现在一些体型独特并 具有高柔特性的高层建筑，对风荷载比较敏感，当建筑位置位于沿海地区时，若 考虑台风作用， 风荷载在结构设计中将起到控制作用。同时为了满足使用功能和 艺术审美的双重需求，高层钢结构建筑在不断发展过程中，不仅高度逐渐增加， 建筑体型和结构布置也日趋复杂多变。 当另一项十分严重的自然灾害——地震发 生时， 这种高层建筑有可能会发生严重的次生灾害。因此针对此类建筑物在地震 作用下的性能分析和优化设计就显得十分必要。 针对风荷载和地震作用对高层钢结构的作用， 国内外许多学者已经做过相关 研究，包括对风荷载的分析研究、风洞试验的模拟以及数值模拟技术的发展，对 地震荷载包括其理论分析和实际设计。动力分析比静力分析要更为复杂，因此对 风荷载和地震作用的研究一直未停止，目前已经有所成果，相应的理论体系已经 逐步建立并成熟，但是仍有部分问题亟待解决。
EFFECT AND DESIGH METHOD OF WIND LOAD AND EARTHQUAKE ON HIGH-RISE STEEL BUILDING
Abstract: With the progress of building technology, high-rise steel structure building get rapid development, and the study of high-rise steel structure system is increasingly perfect including theoretical research and engineering design. Wind load and earthquake action is vital in the design of steel structure dynamic load which have an important effect on the strength and stability of high-rise steel structure. High-rise steel structure building are introduced in detail in this paper on the dynamic response under wind load and earthquake action, and according to the requirements specification and the related research of scholars at home and abroad, the summary to the wind load and earthquake action of design theory and design method is also presented. Keywords: High-rise steel building, Wind load, Wind resistance design, Earthquake, Response spectrum
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第二章. 高层钢结构建筑风荷载作用与抗风设计
2.1 风荷载作用
2.1.1 风荷载的形成 风指的是空气的水平运动， 一般是由气压高处向气压低处流动而形成。太阳 的辐射热在地球周围的分布不均匀使得大气是不断运动的。大气是物质，自然就 有能量， 从地表面一直向上的整个大气柱对它下面的地表面和物体便有压力，单 位面积上承受的这种压力，叫做气压。各个地方大气压有高有低，例如一个地方 上面的空气冷，密度就大，气压也就大些;另一个地方上面的空气暖，密度就小 些，气压也就小些，这样，空气就从气压大的地方向气压小的地方流动。因此风 产生的直接原因是气压在水平方向上的不均匀分布。 风速的主要部分是大小和方向保持不变的平均风， 另外叠加一部分在方向和 大小上不断变化的脉动风。表征风特性的参数包括： （1）平均风速剖面； （2）紊 流风速剖面； （3）脉动风速谱以及（4）湍流积分强度等等。可以根据伯努利方 程由风速来确定风压。 风压对于结构或构件将产生过大的内力和不稳定，使得结 构物产生过大挠度或者变形，有可能引起外墙和装饰材料的破坏。 2.1.2 风荷载的组成与特性 风荷载对于建筑物的作用是一个随机的过程，其包括三个部分：平均风压产 生的平均力， 脉动风压所引起的随机脉动力以及由于风致建筑物振动产生的惯性 力。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其 他物理量都看成不随时间而改变的量， 由于风的长周期远远大于结构的自振周期。 可等效为静态作用处理，应用结构静力 计算。脉动风的强度是随时间按随机规 律变化的，由于周期较短，应用随机振动理论进行分析。 按照风对于建筑物作用力的方向不同可以分为：1）在建筑物的迎风面上产 生的压力（气流流动产生的阻力） ；2）在横风向产生的横风向干扰力（气体流动 产生的漩涡扰力与湍流脉动压力） ；3）空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的 涡流干扰力（包括背风向的吸力） 。当需要准确确定风荷载分布时，需要依靠模 型风洞试验来实现。 风荷载的作用与空间位置及时间的不确定性有关，受地形、地貌、周围建筑 环境等因素共同影响， 其具有静力和动力的双重特点，动力部分即脉动风的作用 会引起高层钢结构建筑的振动。除此之外，风荷载也与结构的几何外形相关，结 构体系的不同部分对风的敏感程度也不尽相同， 当结构尺寸在多个方向上比较接 近时，需要考虑空间相关性对风荷载的影响。对于具有显著非线性特征的结构，
z 为所在场地地貌高度 z 处的风压高度变化系数， w0 为标准地貌下 10m 高度处
的风压，称为基本风压。 除了主要承重结构，对于围护结构，我国规范指出，由于其刚性一般较大， 在结构效应中可以不考虑其振动分量。此时可以仅仅在平均风压的基础上，近似 考虑脉动风瞬间的增大因素， 原则上可以通过局部风压体型系数和阵风系数来计 算风荷载。 2.1.3 高层钢结构风致响应分析 一般来说， 强风是比地震更常见的动力作用，隔震建筑极大地减小了结构的 地震响应， 同时， 由于结构水平刚度的降低， 在风荷载作用下会产生较大的运动。 与地震作用相比较，风力作用的持续时间较长，有时甚至几个小时，发生的频度 也比地震高出许多。 风对结构的作用会使建筑物产生以下的损伤或破坏： （1）使结构物或结构构 件受到过大的风力或不稳定； （2）使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形， 引起外墙面、外装修材料的破坏； （3）由于反复的风振作用引起结构或构件的疲 劳损坏； （4） 使结构物在风力作用下产生加剧的气动力， 导致气动弹性的不稳定； （5）过大的动态运动使结构物内的居住者产生不舒适感。 高层建筑的特点是长细比较大，在动力荷载作用下易产生振动和变形。长期 并且频繁的中、 低风作用使高层建筑某些局部构件产生疲劳破坏，从而使整个结 构失稳。当高层建筑的自振频率接近风的卓越频率时，结构响应进一步加剧，风 振的影响非常显著。 据统计， 结构由于风灾产生的破坏占结构破坏总数的大部分。 由于气流的惯性和粘性， 风流经非流线型的高层建筑时，会产生复杂的流固 相互作用效应，主要表现为气流的分离、再附着、涡的形成和脱落以及尾流的发 展，同时产生气动力。风荷载对高层建筑有明显的三维荷载效应，按照气动力的 合力方向， 风荷载对建筑的作用主要分为顺风向荷载、 横风向荷载、 扭转风荷载。 在三维气流流动中， 顺风向有平均风和脉动风的共同作用；而在与平均风垂直的 水平方向，即横风向以及竖直方向仅有脉动风作用。因此，对于建筑结构，其风 效应主要包括： 顺风向效应、 横风向效应， 风致扭转效应及结构的自激振动反应。 顺风向效应对建筑结构起主要作用， 横风向效应主要由尾部漩涡脱落以及横风向