浅谈高层建筑结构风荷载及抗风设计

浅谈高层建筑结构风荷载及抗风设计

摘要：风荷载与高层建筑的安全和使用有着密切关系，过大的侧向位移会使结构产生过大的附加内力，这种内力与位移成正比，附加内力越大位移越大，以致形成恶性循环，可能导致或者加速建筑物的倒塌。过大的侧向变形也会导致结构性的损坏或者裂缝，从而危及结构的正常使用，影响人们的生活和工作，本文简要介绍了风的起因、特性、风荷载的计算，以及高层建筑结构抗风设计。

关键词：风荷载；高层建筑；体型；抗风设计

一、风荷载

1、风的特性

风是由于气压分布不均引起空气流动的结果，随着建筑物高度的增加，风速也会随之产生变化。当气流遇到建筑物时，在建筑物表面产生吸力或者压力，即形成风荷载。风荷载的大小主要与近地风的性质、风速、风向有关，也与建筑物的高度、形状和地表状况有关。

风荷载是由于建筑物阻塞大气边层气流运动而引起的，风荷载的特点有以下几点：1、风荷载与空间位置、时间有关，并且还受到地形、地貌、周围建筑环境的影响，具有不确定性；2、风荷载与建筑物的外形有关，建筑物不同部位对风的敏感程度不同；3、对于具有显著非线性特征的结构，风荷载可能会产生流固耦合反应；4、脉动风的强度、频率、风向是随机的，具有不确定性；5、风荷载具有静力和动力双重特点，动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑物的振动。

建筑物风荷载主要包括三部分：平均风压产生的平均力、脉动风压产生的随机脉动力、由于风引起建筑物振动产生的惯性力。

2、风荷载的计算

我国规范GB50009-2012《建筑结构荷载规范》规定，垂直于建筑物表面的风荷载标准值应按下式计算

式中：为风荷载标准值（KN/m2）；为高度Z处的风振系数；

为风荷载体型系数；为风压高度变化系数；

为基本风压（KN/m2）；

基本风压与高层建筑结构的安全性、经济性、适用性有着密切关系，基本风

压的确定方法和重现期关系到建筑结构在风荷载作用下的安全。我国确定风压的方法包括对观测场地、风速仪的类型和高度以及统计方法的规定，重现期为50年的风压为基本风压。高层建筑结构对风荷载比较敏感，基本风压应该适当提高，我国规范规定，一般情况下对于房屋高度大于60m的高层建筑，承载力设计时风荷载计算可按照基本风压的1.1倍采用。

风压高度变化系数是反映风压随着场地不同、地貌和高度变化规律的系数，按照地面粗糙度确定。地面粗糙度分为4类：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的实际压力或者吸力与来流风的速度压的比值，风荷载体型系数主要与建筑物的体型和尺寸有关，也与周围环境和地面粗糙度有关，体现了建筑物表面在稳定风压作用下静态压力的分布规律，可由风洞实验计算确定。

风振系数为高度Z处的风荷载最大与平均风压的静力反应之比。根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》，风振系数按下式计算

式中，g为峰值因子，可取2.5；为10m高度名义湍流强度，对应A、B、C、D类场地分别取0.12、0.14、0.23、0.30；R为脉动风荷载的共振分量因子；为脉动风荷载的背景分量因子；

二、抗风设计

高层建筑抗风设计主要考虑因素有一下几点：1）、承重结构构件的承载能力和变形能力；2）、非承重构件和管道设备的正常工作；3）、精密仪表的正常运行；4）、居住和使用者的舒适感；5）、建筑物四周的环境。

平面设计

建筑平面对风荷载的反应主要表现在体型系数不同导致风压不同和由于扭转导致应力集中两个方面。在高层建筑设计过程中，通过合理的平面设计可以有效减轻风荷载对建筑的影响。

（1）正多边形平面：在风荷载作用下，正多边形平面由于多向对称，体形系数小，顺风力、横风效应差别不大，扭转效应很小，应力集中现象较弱。对于平面转角尤其是具有锐角的三角形等，可采用切角处理以减小角落效应和应力集中现象，正多边形平面可以作为高层建筑抗风设计的常用平面。

（2）异性平面：由于高层建筑的功能、造型的复杂性等诸多因素影响，高层建筑平面往往不能仅仅使用简单的流线形正多边形平面，异性平面的开口方向

与主导方向的关系决定着体型系数和风压的大小，当凹形开口正对风向时会产生较大风压，同时不对称的复杂平面在风荷载作用下容易产生扭转和应力集中现象，此时，平面设计的关键就是要结合风向控制平面突出长度，并选择有利于减小体型系数的朝向。

2、型体设计

（1）选择锥状型体：上小下大的锥体和台体能够避免建筑物受到最大风荷载并有利于减小建筑受风面积，可以有效减小倾覆力矩，同时，高层建筑外柱倾斜可以提供较大的抗侧刚度，地基对竖向构件的约束，可以产生与风荷载效应反向的水平分力，可使建筑物整体侧移减少，有利于建筑物的稳定和安全。

（2）控制体型比例：建筑的三维比例对背风涡流区及风压分布有着较大影响，高层建筑长度L与宽度B之间有利于抗风的比例为3~4不大于6，建筑长度L与高度H之间的事宜比例为2~3不大于4。

3、刚度设计

（1）提高抗侧刚度：高层建筑结构除了需要保证足够的抗倾覆刚度外，其竖向刚度宜下大上小、渐变分布，这一点可以通过建筑体型和内部竖向抗侧构件的抗侧刚度分布来实现。对于锥体和台体，其体型所提供的刚度分布自身可以满足。对于柱体建筑，由于体型上下均匀，可以通过改变内部抗侧构件的截面大小来实现结构刚度的渐变分布。

（2）并联高层楼群：每一个独立的高层建筑就如同独立的悬臂结构，当建筑物的高度较大时，要满足结构抗侧刚度很有一定难度，此时，可将单体高层建筑顶部利用桁架或者连接体建筑连为并联高楼群，可有效减小建筑物顶部的侧移。

三、结语

风荷载对高层建筑有着重要影响，如何解决高层建筑结构风荷载问题，一直是高层建筑研究的重点，通过科学合理的建筑体型选择和设计，不仅能使高层建筑结构更加安全可靠，还能极大改善建筑物自身及周边环境，具有重要意义。