高层建筑动态和静态风荷载的研究

高层建筑动态和静态风荷载的研究

摘要：

随着近两年全国城市化进程的加速，土地资源问题逐渐凸显，商业建筑逐渐向纵深方向发展，高层和超高层逐渐成为主流的建筑形式，其优质的环境及城市景观的改善，对于中心城市的社会经济、文化生活等有着多方面的意义，同时也对建筑结构设计提出了更高的要求，本文从建筑常见载荷出发，就房屋建筑混凝土结构在风荷载下的受力性能进行分析，为房屋建筑混凝土结构的设计和施工提供参考。

关键词：高层建筑、结构设计、风荷载

一、前言

在进行高层建筑的结构设计时，水平荷载往往起到决定性作用，随着建筑高度的不断增加、风荷载对结构设计的影响也越来越大。在建筑结构设计中，风荷载不仅要考虑自然因素的影响，还应考虑建筑本身的造型特征。

二、风荷载的分类

1、风的特征

风是空气的大范围运动，是地球表面普遍存在的自然现象之一。风受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响，表现形式多种多样，如季风、地方性的海陆风、山谷风等。

风载荷是建筑结构中的主要水平载荷之一，它不仅对建筑主体产生水平风压，还会引起各种振动效应，在确定作用于工程结构上的风载荷时，必须依据当地风速资料。风速观测的瞬时风速由两部分组成，一部分是长周期部分，周期一般在10min以上；另一部分是短周期数据，它是在第一部分基础上的脉动（或波动），其周期在几秒至几十秒。第一部分远离一般结构自振周期，其作用力属于静力性质，而第二部分与结构自振周期较为接近，其作用属于动力范畴，且属于随机载荷。在脉动风载的作用下，结构将产生振动（结构风振）。

在工程实践中，通常将风载荷作为平均风（静力作用）与脉动风（动力作用）的共同作用。大量的统计资料表明，近地风的平均风速随着高度的升高而增大，同时对应于不同的地面粗糙度具有不同的变化规律。通常可采用风速剖面来描述平均风，近地风的平均风速剖面有指数分布和对数分布两种方法，一般常用指数率的描述，其表达式如下:

脉动风速具有零平均值和随机特性，可以采用湍流度剖面、脉动风速谱和空间相关性系数等进行描述。因此，顺风向的风速由平均风速和脉动风速两部分组成，风速公式可写成:

V(S，T )为t 时刻的风速;(s)为S高度的平均风速;V(s，t)为s高度的脉动风速。

风压是建筑结构设计中的基本设计依据之一，其取值的大小对高层(高耸)和大跨度结构的安全性、适用性、耐久性及是否经济有密切的关系。基本风压是根据全国的气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m，自记10min平均年最大风速，根据该风速，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速，再由贝努力公式

确定基本风压。根据(3)式可得到t时刻S高度的风压W(s，t)为：

式中，(s)为s高度的平均风压，W(s，t)为s高度处的脉动风压。

2、风载荷的分类

（1）风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括三个部分：①平均风压产生的平均力；②脉动风压产生的随机脉动力；③由于风致建筑物振动产生的惯性力。对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。

（2）风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：①风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；②风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；③对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；④结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；⑤脉动风的强度、频率、风向是随机的；⑥风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。

三、房屋建筑混凝土结构风荷载受力性能分析

1、风荷载的形成

风实际上是空气的水平运动，是因为空气由高气压处流向低气压处所形成的，风产生的原因实质上是由于气压分布的不均匀性，这主要是因为大气层的温度差和气压差等现象所引起的。建筑物的构建会对空气的流动形成阻挡，这种阻挡会引起风对建筑物的反作用，形成具有随机性的动荷载，当风荷载达到一定程度，可以使建筑物发生水平侧移、振动甚至垮塌，使建筑主体结构发生变形，产生局部疲劳损坏。

2、风荷载的力学特性

在房屋建筑混凝土结构的迎风面所承受的是风的压力作用，其它面随着与风向的夹角的变化，渐渐由压力转变为吸力。房屋建筑混凝土结构平面形状的不同，如矩形、圆形、三角表等形状，其各个侧面所受到的风力的作用并不相同，有着极大的差异，此外，混凝土结构表面的粗糙度对风荷载的大小也有一定影响。

3、风荷载的特点

风荷载的作用是一个随机的过程，房屋建筑混凝土结构风荷载包括平均风压产生的平均力、脉动风压产生的脉动力、建筑物在风作用下振动产生的惯性力三个部分。风荷载具有明显的不确定性，与空间和时间有极大的关系，受地形、地貌的影响。同时，风荷载与混凝土结构几何形状有极大的关系，不同形状的几何结构的风荷载并不相同，对于具有非线性特征的混凝土结构，还会产生流固耦合效应。

我们通常所说的地面粗糙度越大，风速成减缓的说法并不完全正确，这种说法更多的是应用于多层建筑不多、分布不密集的情况，随着城区高层建筑的增加、高度的加大和密度的加大，使得城区局部地区由于过风面积狭窄而使风力剧增，且使风力处于极不稳定状态。

四、房屋建筑混凝土结构在风荷载下的受力性能

在房屋抗风设计中，结构必须具有足够的刚度，来控制高层建筑在风力作用下的位移，保证良好的居住和工作环境。所以确定水平位移指标的限值是做设计的一个重要指标。

房屋建筑的风荷载是呈倒三角行分布，而房屋建筑计算可以简化为下面嵌固，上面悬臂的模型，根据其剪力计算公式：V=-QX(2-X/L)/2(X为距离嵌固端

的长度，L为整个构件的长度，Q为最高点风力)，房屋建筑的剪力呈正三角形分布，及下面大上面小；根据悬臂构件的水平位移公式：f=QL4[11-15X/L+5(X/L)4-(X/L)5]/(120EI)，房屋建筑在等刚度的情况下，高度越小，位移越大；而我们为了控制整个高层建筑的水平位移，就需要对建筑物的刚度进行调整，最好能下面大，上面小的渐变分布。

在规范中，对房屋建筑结构在风荷载作用下主要做了两方面的限制：一是结构顶端水平位移与总高度的比值，目的是控制结构的总的变形量；而是限制相邻两层楼盖之间的相对水平位移与层高的比值，目的是防止填充墙，装饰部件的损坏，避免电梯和管道变形过大破坏。在正常的使用条件下，房屋建筑结构应处于弹性状态并具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用条件。

另外，风荷载影响混凝土建筑的墙柱配筋；在风荷载作用下，建筑物按悬臂模型，其弯矩公式为M=-QX2(3-X/L)/6，随着高度的增加，建筑物的弯矩减小，呈正三角形分布，如果只考虑风荷载作用下，混凝土建筑墙柱的配筋下面大，上面小。

五、结语

在进行高层建筑结构设计时，要对风振响应和风振系数计算加以重视。现阶段，我国现有的相关规范和标准提供了针对高层高耸结构在顺向风效应的风振系数的计算方法，然而，该方法对于复杂高层建筑和大跨度建筑并不是很合适。所以，在进行复杂高层建筑设计时，要使用奇特更加精确的方法来计算风荷载。

参考文献：

[1] 顾明王凤元全涌陈伟张锋：《超高层建筑风荷载的试验研究》，《建筑结构学报》，2000年04期

[2] 何艳丽董石麟龚景海：《大跨空间网格结构风振系数探讨》，《空间结构》，2001年02期

[3] 李春祥都敏：《超高层建筑脉动风速时程的数值模拟研究》，《振动与冲击》，2008年03期

[4] 熊曜王汝恒佟伟：《高层建筑风荷载研究成果的述评》，《四川建筑科学研究》，2007年04期