高层建筑结构抗风研究

浅谈高层建筑结构抗风研究

摘要：风荷载是高层、高耸建筑结构所要承受的主要水平荷载之一，而且随着建筑物的高度越来越高，建筑物在其使用期内可能遭遇的风荷载越来越大。通过抗风控制以及抗风设计减小风振响应保证结构安全。工程数值仿真为研究风工程和抗风设计提供了有利的保障有着广阔的发展前景。

关键词：高层建筑结构；风荷载；抗风控制；抗风设计

结构是人类为满足自身的生存、文化活动及工农业生产的需要而建造的建筑物或构筑物。结构工程作为一门古老的学科，它的发展与人类的文明息息相关，反映着一个时代科技发展的水平。高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，城市人口集中、用地紧张及激烈的商业竞争，加速了现代高层建筑的出现和发展。荷载是对结构的安全和使用性能有直接影响的一种最主要的作用。风荷载对高层、高耸结构作用既有瞬时作用，在设计基准期内的任意时点荷载效应大于结构的抗力都会使结构失效；又有累积作用，通过风荷载的反复作用使结构累积损伤，降低结构的可靠度。

1、风荷载的统计

抗风结构的动力可靠度分析和设计，首先要对在设计基准期内可能遭受的风荷载进行统计分析，建立相应的荷载随机模型和根据设计标准确定模型参数。标准高度的年最大平均风速的统计方法甚多，大致可以分为三类：正态分布、皮尔逊m型曲线、极值分布及

它们的变型，但一般认为极值分布法与实际符合得更好。年最大平均风速是一年中按规定时距平均风速的最大值，属于极值随机变量。因为形成风荷载的因素一卜分复杂，机理尚没有完全搞清楚，故可以认为其原始分布为正态分布。

2、风荷载作用下的结构失效形式

风荷载是高层、高耸建筑结构所要承受的主要水平荷载之一，而且随着建筑物的高度越来越高，建筑物在其使用期内可能遭遇的风荷载越来越大。结构在风荷载作用的下的响应越来越激烈，使得风荷载已经成为高层结构的设计荷载。风荷载作为一种随时间变化的荷载对结构的作用必然包括动力响应，因为风荷载使结构产生了不可忽视的加速度。风荷载对结构的破坏就是静力作用和动力作用的共同作用的结果，高层、高耸结构在风荷载作用下的破坏形式主要包括：

2.1 结构或构件的内力超过许用值，引起主筋屈服。

2.2 结构或构件的变形超过许用值，引起诸如框架、剪力墙及承重墙开裂或留下较大的残余变形。

2.3 结构或其部件失稳及气动弹性不稳定性，即结构在风荷载作用下的响应产生使其加剧的气动力。

2.4 长期的风致振动引起结构疲劳，导致破坏。

2.5 局部风压过大引起幕墙、装饰物、维护结构等的破坏。

其中最后一项属于可靠度分析中的适用性范畴，它不危及结构

安全。其他的几项破坏形式属于可靠度分析中的安全性范畴，作可靠度分析时应该区别对待。

3、结构的安全界限

现阶段的高层、高耸建筑结构在风荷载作用下的动力可靠度分析主要考虑动响应超过水平位移限值和人体舒适度限值。

3.1 水平位移限值

根据现行的建筑结构设计规范，对于高层建筑结构在风荷载作用下的变形响应主要作下面两个方面的限制

3.1.1 限制结构的顶端水平位移△与总高度h的比值△／h，目的是控制结构的总变形量，一般要求此比值为1／500左右；

3.1.2 限制相邻两层楼盖间的相对水平位移6与层高h的比值(δ／h)，对于不同的结构形式，此比值一般取为1／500～1／400，即层间的相对位移在0.01m左右。

3.2 人体舒适度限值

风致振动会使建筑物内的居住者产生恶心、胸闷等不良感觉，此时虽然建筑物没有破坏但已经给建筑物的使用者带来了麻烦，导致人们工作效率低下，甚至恐慌，所以人体舒适度也是衡量高层、高耸结构可靠性的一个重要指标。

这两种失效形式带来的后果是截然不同，结构可靠度分析时应该严格区分上述两种失效形式。因为当结构的振动响应超越人体舒适度安全界限时，结构几乎仍保持工作在弹性范围内。当外界荷载

消失后结构可以恢复到正常状态，不对结构造成永久性的损伤。这是一种可逆行为，我们可以把这种失效称为可逆故障。而当结构超过水平位移限值时，一般会造成结构整体或局部部件的损坏，这是一种不可逆的故障。一旦不可逆的故障发生必须经过维修才可以再次工作。

4、高层结构抗风控制

高层建筑和高耸结构中由于轻质高强材料的广泛使用，结构的水平刚度减小导致结构在脉动风荷载作用下的响应加剧，直接影响了建筑结构的正常使用。为了减小高层、高耸结构在风荷载作用下的动响应，使其满足使用要求，结构工程师发展了多种减振技术，实施了各种减振措施。传统的结构抗风设计是通过增强结构自身刚度、抗侧能力、阻尼及改变结构质量分布来抵抗风荷载，这是一种消极、不经济的做法。近年来发展起来的结构控制方法突破了传统的设计思路，发展为由结构抗风控制体系能动地抵抗风荷载，这是一次设计思想的飞跃。这种方法通过在结构内增设控制系统，减小风振响应。同时又因为它不改变原来的结构，这使得这种技术可以广泛的应用于已有的建筑结构。

5、高层建筑结构的抗风设计

风荷载是高层建筑结构的主要侧向荷载之一，在非地震区和沿海地带，风荷载又常常成为结构设计的控制荷载。根据风对建筑物造成的破坏来分析，抗风设计要求必须保证结构在使用过程中不出

现破坏等现象，主要涉及以下几个方面：

5.1 结构抗风设计必须满足强度设计要求，也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求，确保建筑物在风力作用下不会产生倒塌、开裂和残余变形等破坏现象，以保证结构的安全。

5.2 结构抗风设计必须满足刚度设计要求，也就是说要使结构的位移或者相对位移满足有关的规范要求，以防止建筑物在风力的作用下引起隔墙开裂、建筑装饰和非结构构件因位移过大而损坏。

5.3 结构抗风设计必须满足舒适度设计要求，以防止居住者在风力作用下引起的摆动造成的不舒适。影响人体感觉不舒适的主要因素有振动频率、振动加速度和振动持续时间。一般采用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的设计要求。

5.4 为防止风力对外墙、玻璃、女儿墙及其他装饰构件的局部损坏，也必须对这些构件进行合理设计。

5.5 结构抗风设计应满足疲劳破坏设计要求。风振引起高层建筑结构或构件的疲劳破坏是高周期疲劳累积损伤的结果。

6、结论与展望

高层建筑对风的动力作用较敏感风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。一般把风的动力效应通过风振系数转化成结构的拟静力计算。在此基础上根据需要进行结构动力分析模型风洞实验或专门计算校核等。高层建筑受风荷载的影响效应和在抗风设计中风振