高层建筑风效应及风振控制分析

高层建筑风效应及风振控制分析
摘要：科技的发展与应用，使高层建筑被普遍应用，在设计高层建筑的时候，需要注意风效应对其的影响。

既要满足居住需求，又要满足减少振动的要求，一般高层建筑风振控制有耗能减振系统、吸振减振系统、锚索控制、主动控制与混合控制系统等。

关键词：高层建筑；风效应；风振控制
随着经济的飞速发展与科学技术的广泛应用，高强度材料在高层建筑行业被普遍应用，使高层建筑与高耸结构不断出现，为建筑行业带来新的革命，也为城市居民生产生活带来了新形式。

高层建筑师在设计过程中，注意力多集中于建筑的平面功能布置、外观合理与空间的有效利用上，很少考虑到高层建筑间气流的影响问题。

如果高层建筑群之间的布局不合理，会为业主带来极大的不便。

高层建筑的主要荷载为水平风荷载，相比于地震等振动作用，风力作用频繁且持续时间长，影响力要大得多，为防止高层建筑在风力作用下出现倒塌、结构开裂等问题，必然要对高层建筑的风效应及风振控制进行合理的分析，使高层建筑结构抗风设计满足实际生活使用需求、安全需求、舒适度需求等。

一、高层建筑风效应的数值分析
以高层建筑小区风效应进行分析，常见高层建筑小区的布局有三种形式：行列式、错列式和周边式，针对这三种布局的高层建筑，利用计算机进行模拟数值分析，得出高层建筑群内气流流动速度，并分析其影响度。

数据举例：行列式为4排每排4栋，共计16栋；错列式为五排交错排列，共计18栋；周边式为4排，呈口字形排列，共计12栋。

行列式错列式周边式
拟定风向为正北和正西北两种，风速5m/s。

按人在1.8米位置进行计算。

其数值结果对比分析如下：
（一）正北风向时：行列式第三、四排的风速达最高；错列式在第一、二列的第四排侧；周边式在第一、三列第四排。

其涡流形式，除错列式中间位置出现涡流外，其他二种不出现或很少出现。

通过对风速的变化趋势进行对比发现：三种布局风速会沿建筑高速而增大，行列式排末高层的高速区可达5.8m/s；错列式高层高速区达7.7m/s；周边区则达6.8m/s。

由此可知，错列式末排高层住户承受
的风速最大，且有涡流出现，其高层住户最高可达风速来流的1.5倍，对住户影响较大。

（二）西北风向下：在同样的情况下，分析西北风情况下上述三种布局的风速与涡流情况，发现三种布局形式中，依然是越往高层住户受风速影响越大，尤其是周边布局，最高速区可达来流的1.8倍；且周边式布局易出现涡流，与此同时，错列式在中间几排易出现，行列式则不易出现涡流。

（三）结论：通过以上对比发现，无论是哪种布局的高层建筑，越高的住户受风速影响越大。

由此得出，选择高层建筑布局要充分考虑当地实际情况，选择合适的高层建筑布局，同时，对高层建筑受风效应影响下的风振控制做进一步探讨。

二、高层建筑风振控制分析
由于以上数值分析得出，越是高层受风速影响越大，高层建筑的水平风荷载会引起很大的结构反应，同时建筑还应满足居住的需求。

在设计与建筑高层建筑时，要充分考虑到其抗风性的设计，但还应注意满足以下三点：第一，高层建筑结构的抗风设计在设计风荷载和其他荷载的组合作用下，必须满足强度的要求；第二，高层建筑结构在风力作用下必须满足刚度设计的要求；第三，高层建筑结构的抗风设计还必须满足舒适度的要求。

为满足以上三点，传统设计手段会提高结构的抗力，如增加结构截面面积等，但由于风荷载会引起较大的结构反应，目前解决这一问题的主要方法为结构振动控制方法，其主要措施有如下几点：
（一）耗能减振系统
耗能减振系统是指将结构的某些非承重构件设计成耗能元件，或在其上设置阻尼器，在风荷载发生作用的时候，阻尼器产生较大阻尼，消耗风能，减少主体结构的振动反应。

如耗能支撑、耗能剪力墙等；阻尼器减振系统则包括粘弹性阻尼器、金属阻尼器和摩擦阻尼器等。

粘弹性阻尼器是其中被应用较早、且较为广泛的阻尼器，粘弹性阻尼器是一种较为简单、方便、性能优良的耗能控制装置，性质受外界影响较大，目前尚为完全建立起成熟的通用分析方法。

（二）吸振减振系统
吸振减振系统是通过主结构中附加子结构，通过主结构与子结构之间重新分配使振动发生转移、减小的一种减振方式。

使其动力特征发生改变，从而达到减少结构动力反应的作用。

调谐质量阻尼器不仅用于新建高层建筑，还被广泛应用于已有建筑的抗震性
能。

调谐液柱阻尼器是一种U形管状水箱，中间设有增加阻尼隔栅，利用水箱水晃动所产生的惯性达到减小结构的振动。

（三）锚索控制、主动控制与混合控制系统
锚索控制是指在风荷载的作用下，当结构发生振动，结构层面相对变形很小时锚索处于松弛状态；由于锚索控制法具有较好实用性，且锚索本身就是结构的一部分，因此易被设计师所接受。

主动控制则是一门新兴的交叉学科，由于不依赖于外荷载的特性，相对于被动控制具有较明显的优势。

但由于主动控制还处于探索阶段，国际上对其试验研究也不多见，其主要应用于日本。

混合控制系统是将被动控制与主动控制相结合，施于同一结构上的振动控制方式。

由于二者结合，取长补短，一方面被动控制由于引入主动控制，其控制效果增强，系统可靠度提升；另一方面主动控制由于加入被动控制，所需力度减小，系统的稳定性和可靠性都得到大大提高。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看。