高层建筑抗风设计中值得注意的若干问题

中荷载作用在质点上。于是可得到下面的力学模型：
ＭＳ＋ＣＳ＋ＫＳ＝Ｆ（ ２）
⑵
式中： Ｍ、Ｃ、Ｋ 分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚
度矩阵； Ｓ 为结构的动响应； Ｆ 为风荷载向量。
将各楼层的动力反应加上平均风压所引起的静
力反应， 便得到风荷载的总反应， 为便于设计， 引入
了风振系数 ｂ ｚ 的概念， 它定义为在高度 ｚ 处的风荷 载最大与平均风压的静力反应之比， 这样乘以风振
筑 结 构 荷 载 规 范 》。 在 需 要 更 细 致 进 行 风 荷 载 计 算
的场合， 风荷载体型系数可由风洞实验计算确定。
⑷ 对风振与风振系数的理解
我们知道在风力最强的时段， 风速围绕其平均
值平稳变化， 故对风速的研究一般将风荷载看作是
由平均风速（ 风压） 和脉动风速（ 风压） 叠加而成。平
第６期 ２００６年 ６ 月
广东土木与建筑 ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏ．６ ＪＵＮ ２００６
高层建筑抗风设计中值得注意的若干问题
卢永洪
（ 广州市设计院 广州 ５１０６２０）
摘 要： 文中较系统地阐述高层建筑受风荷载的影响效应和抗风设计中风振系数、水 平 位 移 等 参 数 的 正 确 选 取 等问题， 可为高层建筑抗风设计提供参考， 目前工程数值仿真技术的发展已为抗风设计研究提供了有利保障。 关键词： 高层建筑； 影响效应； 抗风设计； 风振系数； 水平位移
１ 工程结构受风的影响效应
２ 抗风设计的主要研究内容
风 对 结 构 的 作 用 受 到 风 的 自 然 特 性 、结 构 的 动
抗风设计中的近地风特性， 在不同的场地地貌
力特性以及风和结构的相互作用的制约， 从工程抗 下对风速的影响是不同的， 由于地表摩擦的结果， 使
风设计的角度来看， 可把自然风分解为不随时间变 接近地表的风速随着离地高度的减小而降低， 只有
素： 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（ 如电子 计算机等） 的正常运行； ④居住和使用者的舒适感；
Ｒｅ ＞３．５×１０６ 为跨临界范围时， 出现规则的周期振动。 ⑤建筑物四周的风候环境。
当旋涡脱落的频率等于结构的自振频率时， 便会引起
在上述因素中， ①～②一般把风的动力效应通过
涡激共振。
风振系数转化成结构的拟静力计算； ③～④则往往需
⑶ 空气动力失稳： 当风速达到某一临界值时， 要进行结构动力分析， 以便设计时将建筑物的最大
结构运动会无限制地增大， 产生空 气动力失稳。在风的作用下， 由于 结构的振动对空气力的反馈作用， 产生一种自激振动机制， 如颤振和 驰振达到临界状态时， 将出现危险 的发散振动； 在脉动风作用下的一 种有限振幅的随机强迫振动称为 抖振。风对结构的作用见表 １。
的限制： ①限制结构的顶端水平位移 ｕ 与总高度 Ｈ
的比值（ ｕ Ｈ） ， 目的是控制结构的总变形量； ②限制
相邻两层楼盖间的相对水平位移 Δｈ 与层高 ｈ 的比
值（ Δｕ ｈ） ， 一般 Δｕ ｈ 在结构的各层中具有不同的
比值， 且往往最大的 Δｕ ｈ 要超过 ｕ Ｈ 的限值。限制
最大的 Δｕ ｈ 目的是防止填充墙、装饰部件的损坏，
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２００６年 ６ 月 第 ６ 期
卢永洪： 高层建筑抗风设计中值得注意的若干问题
ＪＵＮ ２００６ Ｎｏ．６
振幅， 震动速度和振动加速度等控制在容许范围内；
⑤则通常通过模型的风洞实验或专门计算给予校核。
２．１ 风荷载的计算
我国规范 ＧＢ ５００６８－ ２００１《建筑结构可靠度设
计统一标准》对荷载统计采用 ５０ 年设计基准期， 并
旋涡脱落。它的产生与结构的截面形状和的雷诺数 成分、空间相关性等。
（ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ） 有关， 不同的雷诺数范围会出现
高层建筑的抗风设计主要考虑以下几方面的因
不 同 形 式 的 流 体 旋 涡 脱 落 和 结 构 风 致 振 动 ， Ｒｅ＜３× １０５ 为亚临界范围， 出现周期性旋涡脱落振动； Ｒｅ＝３× １０５～３．５×１０６ 为超临界范围， 出现不规则的随机振动；
均风速（ 风压） 是一个随机变量， 它对高层、高耸结构
动力响应的贡献相当于静力荷载作用于结构上， 使
结构产生静力变形（ 位移、内力） ； 而脉动风速（ 风压）
则应看作随机过程， 它对结构响应的贡献是一个动
力过程， 脉动风压作用下的高层、高耸结构， 可以看
作是一多自由度的质点杆体系， 而风荷载则作为集
实际上高层建筑的抗风理论在其它分支理论中 属于较新的理论，随着现代计算机技术的发展， 人们 越来越重视运用工程数值仿真方法。国外一些公司 或机构已开发了专门的软件对结构进行风场分析， 进而对工程结构的抗风设计提供依据。国际上已有 专用的计算流体力学软件可预测实际工程的流场和 结 构 物 表 面 的 风 压 分 布， 如 英 国 的 ＣＦＸ、奥 地 利 的 ＳＷＩＦＴ、美国的 ＦＬＵＥＮＴ、日本的 ＳＴＡＲ－ ＣＤ 等。北京 大学曾与 ＣＦＸ 公司合作对厦门国际银行工程进行 风压分布分析， 取得了较好的效果。其中有的软件 还能考虑风和结构的相互耦合作用， 如美国的 ＡＮ－ ＳＹＳ 等， 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。在学术封面 已有许多工程师开始注意结构的空气动力性能。
在 抗 风 设 计 中 风 振 系 数 、水 平 位 移 指 标 等 参 数 的 正 确选取是高层建筑抗风设计的关键。
近年发展起来的结构控制研究突破了传统的设 计方法， 使仅依靠增加结构本身性能如增大结构刚 度、阻尼、改变质量分布等来抵抗地震与风的方法发 展为由结构抗震抗风控制体系能动地抵抗地震与风 荷载。在所有的振动控制装置中， 调谐质量阻尼器 （ ＴＭＤ） 和调谐液体阻尼器（ ＴＬＤ） 在工程中应用最广。
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
的乡镇和城市郊区； Ｃ 类指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 。 对 于
山区的高层建筑， 尚应按现行标准 ＧＢ ５０００９－ ２００１
值， 在不同国家中使用的水平位移设计限值通常在
Ｈ １０００ 到 Ｈ ２００ 范围内。对于一般惯用结构形式
可直接在 Ｈ ６５０～Ｈ ３００ 范围内取值， 随着建筑高度
的增大， 相应水平位移指标取值降低， 直至下限值。
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以下两方面
系数后的平均风压， 即 ｗ＝ｂ ｚｗ０ 作为风的静力荷载来 分析结构， 即可获得结构的最大总反应—动力反应
和平均风压静力反应之和。
根据 ＪＧＪ ３－ ２００２《高层建筑混凝土结构技术规
程》， 风振系数按下式计算：
ｂ ｚ ＝１＋ｊ ｚ ｘ ｎ ｍ ｚ
⑶
式中： ｊ ｚ 为振型系数， 可由结构动力计算确定， 计算
结构类型
Δｕ ｈ 限值
框架
１ ５５０
框架—剪力墙（ 筒体） １ ８００
筒中筒
１ １０００
剪力墙
１ １０００
大位移与层高之比 Δｕ ｈ 见表 ２。
高层建筑结构的变形控制对于控制风振侧移是
非常重要的， 结构侧移特别是层间侧移是决定建筑
物破坏程度的因素， 因此能否将侧移控制在允许限
度内， 是检验抗侧力体系有效性的重要指标。
参考文献
［１］ 赵西安． 幕墙工程手册［Ｍ］． 北京： 中国建筑工业出版社， １９９６ ［ ２］ 李创第， 管昌生， 李桂青等． 高层建筑和高耸结构抗风设
《建筑结构荷载规范》的有关规定进行修正。
⑶ 风荷载体型系数 ｂ ｚ 该系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实
际压力或吸力与来流风的速度压的比值， 它描述的
是建筑物表面在稳定风压作用下静态压力的分布规
律， 主要与建筑物的体型和尺度有关， 也与周围环境
和地面粗糙度有关， 其取值参照 ＧＢ ５０００９－ ２００１《建
避免电梯轨道和管道等设施产生过大的变形。
规范 ＪＧＪ ３－ ２００２《钢筋混凝土高层建筑结构设
计与施工规程》中规定在正常使用条件下， 高层建筑
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。按 弹性方法计算 的楼层层间最
表 ２ 各类结构在风载下的 Δｕ ｈ 限值
ｗｋ ＝ｂ ｚｍ ｓ ｍ ｚ ｗ０
⑴
式 中 ： ｗｋ 为 风 荷 载 标 准 值 （ ｋＮ ｍ２） ； ｗ０ 为 基 本 风 压
（ ｋＮ ｍ２） ； ｍ ｚ 为 风 压 高 度 变 化 系 数 ； ｍ ｓ 为 风 荷 载 体
型系数； ｂ ｚ 范围为高度处的风振系数。
⑴ 基本风压值的确定
基本风压对高层建筑和高耸建（ 构） 筑物的经
时可仅考虑受力方向基本振型的影响； 对于质量和
刚度沿刚度分布均匀的弯剪型结构， 也可近似采用
振型计算点距室外地面高度 ｚ 与房屋高度 Ｈ 的比
值； ｘ 为脉动增大系数； ｎ 为脉动影响系数； ｍ ｚ 为风 压高度系数．
２．２ 风荷载作用下高层建筑的振幅、震动速度和加
速度控制
由于目前我国的设计规范中尚未有明确的要
本风压应按 １００ 年重现期的风压值采用， 而对风荷
载是否敏感， 主要是与高层建筑的自振特性有关， 目
前尚无实用的划分标准， 一般情况下高度在 ６０ｍ 以
上的高层建筑可按 １００ 年一遇的风压值采用， 其余
则由设计人员根据实际情况确定是否提高其基本风
压值。
⑵ 风压高度变化系数 ｍ ｚ 该系数按照地面粗糙度确定， 地面粗糙度分为
化的平均风和随时间变化的脉动风两部分， 分别考 离地 ２００～５００ｍ 以上的地方， 风才不受地表的影响，
虑它们对结构的作用。在风作用下结构上的风力含 达到所谓的梯度速度， 其高度称为梯度风高度， 在该
有顺风力（ 阻力） 、横风力（ 升力） 和扭力矩 ３ 种。
高度以上的各处风速均为梯度风速。梯度风高度以
⑴ 顺风向效应： 它是结构抗风工程中的必须考 下的近地层面为摩擦层， 其间风速受到地理位置、地
虑的效应， 在一般情况下起主要作用。
形条件、地面粗糙度、高度、温度变化等因素的影响。
⑵ 横风向效应及共振效应： 在横风力作用下， 抗风设计中应考虑风的特性主要有： 风速随高度的
由于空气的粘性和流速， 在结构的尾部会产生流体 变化规律、风速的水平攻角、脉动风速的强度、周期
且用平稳二项随机过程来描述荷载的随机过程。气
流遇到建筑物时， 在建筑物表面上产生压力或吸力，
即形成风荷载， 其大小主要与近地风的性质、风速、风
向有关， 也与建筑的高度、形状和地表面状况有关。
根据新规范进行主体结构计算时， 垂直于建筑
物表面的风荷载标准值按下式计算， 风荷载作用面
积应取垂直于风向的最大投影面积：
表 １ 结构Baidu Nhomakorabea风向效应
分类
作用形式和破坏现象
静风力引起的内力和变形
静力 扭转发散
作用 静力不稳定 横向屈曲
抖振（ 紊流风响应）
限幅振动
自
涡振
动力
激
驰振
作用
单自由度 发散
振 扭转颤振
振动
动 古典耦合颤振 双自由度
作用机制 平均风静风压产生的阻力、升力和力矩
静力矩 静阻力 紊流风 旋涡脱落引起的涡激力 自激力的气动 负阻尼效应—阻尼驱动 自激力的气动刚度驱动
济、适用与安全性能有着密切关系， 我国最早的《荷
载规范》已对其作出规定， 并先后进行了 ４ 次修改。
修定后的基本风压按照 ＧＢ ５０００９－ ２００１《建筑结构
荷载规范》的规定选取， 同时将基本风压的重现期改
为 ５０ 年， 这样在标准上将与大部分国家取得一致。
对于特别重要或对风荷载较敏感的高层建筑， 其基
求， 故我们引用一个舒适参数定量描述该影响状态：
ｆ ＝Ｖ＋!ｎ ′２ （ Ｖｒ＋!ｎ ′２ ）
⑷
上式中的分子代表场地的平均风速及其均方根
值之和， 分母则代表某一参考场地的相应值之和， 分
母通常用不舒适感受的临界水平来表示， 即：
Ｖｒ＋!ｎ ′２ ≤６ｍ ｓ
⑸
这样则表示开始有不适感觉， 值越大越不舒服。
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２００６年 ６ 月 第 ６ 期
广东土木与建筑
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３ 高层建筑的水平位移指标
在高层及超高层建筑设计中， 侧向刚度是主要
考虑的因素， 能准确判断建筑侧向刚度的参数为水
平位移指标， 即建筑顶端最大位移与建筑总高度之
比， 因此建立水平位移指标的限值是一个重要的设
计规定。但至今该指标尚未有一个可被广泛接受的