高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計

李靜華 李霞 馬艷順

【摘要】本文主要從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，論述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的一般性理念，進而提出了高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的有效方法，以期可以為高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)；抗風設(shè)計

中圖分類號： TU97文獻標識碼： A

一、前言

高層建筑結(jié)構(gòu)和普通建筑結(jié)構(gòu)相比，其樓層高度和受力原理均存在很大的差別，所以，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計極為關(guān)鍵，這關(guān)乎高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點

1.空間整體作用

實際的房屋建筑都是空間結(jié)構(gòu)，是空間受力的，簡化為平面框架計算只適用于最簡單的情況。因此，次梁的端彎矩、梁的扭矩在設(shè)計中都應(yīng)考慮，柱和墻的軸力不能簡單地按荷載面積計算。

2.水平力起控制作用

高層建筑由于地震和風產(chǎn)生的內(nèi)力往往大于豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，因此組合內(nèi)力分布不同于低層建筑。如梁的端彎矩可能大于跨中彎矩等等。

3.柱、墻的軸向變形影響

由于層數(shù)多、高度大，墻、柱軸向變形逐漸積累，對內(nèi)力產(chǎn)生明顯影響，設(shè)計人員必須決定是否考慮施工過程模擬的問題。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計中存在的問題

1.設(shè)計風壓等級的確立

設(shè)計風壓等級的建立需要考慮多種因素的影響。目前，我國還沒有對結(jié)構(gòu)設(shè)計風壓等級給出明確定義，具體的劃分原則和范圍界定還需進一步的研究探討。

2.風振系數(shù)的確定

我國目前確定結(jié)構(gòu)風震系數(shù)時采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所獲取的阻尼比實測值確定的，而抗風設(shè)計所取的風載是30-100年一遇的大風荷載。此時，結(jié)構(gòu)的振動將不是微小振動，而是有較大位移的振動，而大位移振動與微振的結(jié)構(gòu)阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，將使風振系數(shù)減小。因此目前我國進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計所取的風振系數(shù)可能偏大。

3.風振舒適度的考慮

《高規(guī)》中規(guī)定重現(xiàn)期為10年的最大加速度限值為：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文認為存在如下有待完善之處：首先，重現(xiàn)期取為10年已不能滿足要求?！督ㄖ奢d設(shè)計規(guī)范》中對一般結(jié)構(gòu)基本風壓重現(xiàn)期已規(guī)定為50年，且對特殊結(jié)構(gòu)還要進行重現(xiàn)期為100年的舒適度驗算；其次，該規(guī)定只將民用建筑分為公共建筑和公寓建筑兩類，不夠具體；再次，將峰值加速度限值僅定為0.28m/s2和0.20m/s2，不夠精確。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理論

高層建筑高寬比大，抗側(cè)剛度??；所承擔的水平荷載除地震作用外，主要為風荷載。相比地震作用，風載作用極其頻繁。因此，對高層結(jié)構(gòu)而言，風荷載是一種重要的設(shè)計荷載，甚至起決定作用。

1.基于性能的結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理論

基于性能的結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理論的目的是在不同強度水平風振作用下，有效地控制建筑結(jié)構(gòu)的安全、舒適度，明確的不同性能水準，從使建筑物在整個生命周期內(nèi)，在遭受可能發(fā)生的風振作用下，總體費用達到最小的目標。

與傳統(tǒng)的抗風設(shè)計不同，該理論是由業(yè)主先給出所期望的結(jié)構(gòu)抗風性能水準，工程師在該要求下，采用與國家規(guī)范不相抵觸的結(jié)果來完成設(shè)計。

2.結(jié)構(gòu)風振性能水準

（一）風振系數(shù)。風振系數(shù)是我國現(xiàn)行荷載規(guī)范的一個重要系數(shù)，該系數(shù)的值對風載值有較大的影響。

（二）人體舒適度。在側(cè)向力作用下，高層結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，當振動達到某一限值時，人們開始有某種不舒適的感覺。人體舒適度可分為無振感、輕微振感、中等振感、煩惱、非常煩惱和無法忍受六個等級。

（三）結(jié)構(gòu)風振性能水準。性能水準是針對所設(shè)計的建筑物，在可能遇到的特定風振作用下所規(guī)定的最大容許舒適度或最大容許破壞。該指標應(yīng)從舒適度和變形兩個方面綜合確定。

3.結(jié)構(gòu)性能目標

性能目標是指對所設(shè)計的建筑物在設(shè)計風壓等級下所要求達到的性能水準的總和。需綜合建筑物的使用要求、功能要求的重要性、經(jīng)濟性等諸多因素來考慮。

4.結(jié)構(gòu)抗風計算

（一）理論計算。計算分析首先要在分析模型中考慮結(jié)構(gòu)的線性與非線性恢復(fù)力特性；其次，選取合理的計算方法對有效的模擬風場并進行風振的動力時程分析；再次，根據(jù)不同的性能目標選取合理、快捷的分析方法；最后，發(fā)展簡單實用的計算方法，減小計算量，加強前后處理軟件程序的開發(fā)和應(yīng)用。

（二）風洞試驗。風洞試驗是一種測量大氣邊界層內(nèi)風對建筑物作用大小的有效手段。高樓可能造成很強的地面風，對地面造成很大的影響；當附近還有其他高層建筑時，群體效應(yīng)對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害，這些都可以通過風洞試驗進行分析。

5.結(jié)構(gòu)抗風性能的安全評價與社會經(jīng)濟評價

完成抗風分析之后，必須對結(jié)構(gòu)的抗風舒適性與安全性進行評價，以證實符合所選定的性能目標。結(jié)構(gòu)抗風反應(yīng)量化參數(shù)必須符合性能目標與相關(guān)準則，滿足業(yè)主和社會所要求的強度、剛度、舒適度等性能要求以及經(jīng)濟指標。

五、降低結(jié)構(gòu)風振相應(yīng)的措施

目前超高層建筑抗風措施主要有氣動措施、結(jié)構(gòu)措施與機械措施三種方法。

1.氣動控制法

氣動措施可分為被動控制，半主動控制與主動控制。

半主動控制與主動控制需要外界能量，通過改變氣動措施的狀態(tài)或向風場中吹氣來改善結(jié)構(gòu)周圍的流場，特別是控制流動分離，從而減小流體作用在結(jié)構(gòu)上的風力。但由于流體分布的隨機性，導(dǎo)致這類措施很難用于工程實際。

被動氣動控制，即通過改變建筑的外形以減小建筑的風荷載與風致效應(yīng)，是一種常用并且十分有效的措施，并且可以與建筑設(shè)計相結(jié)合。氣動措施用于建筑的方案設(shè)計階段，基于風對超高層建筑的作用機理，能從根源上減小結(jié)構(gòu)的風荷載與風致效應(yīng)。

2.結(jié)構(gòu)控制法

通過增強結(jié)構(gòu)本身的抗風性能來抵抗風荷載的作用，即通過提高結(jié)構(gòu)本身的強度和剛度，由結(jié)構(gòu)本身儲存和消耗風振能量來抵御風荷載。這種傳統(tǒng)的抗風設(shè)計方法，不一定安全，也很不經(jīng)濟，失去了輕質(zhì)高強材料本身的優(yōu)勢。僅用于結(jié)構(gòu)設(shè)計階段。

3.機械控制法

機械措施是通過在主體結(jié)構(gòu)上添加輔助阻尼系統(tǒng)來減小結(jié)構(gòu)的風致響應(yīng)，比如臺北101大廈與上海環(huán)球金融中心都在其頂部設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來控制結(jié)構(gòu)頂部的位移與加速度，以滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度與舒適度的要求。機械措施也可以用來提高建筑的抗震性能。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)被動減振控制體系的一類，它由主結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。其中子結(jié)構(gòu)包括固體質(zhì)量、彈簧減振器和阻尼器等，具有質(zhì)量、剛度和阻尼，由于這種系統(tǒng)是利用調(diào)整子結(jié)構(gòu)的動力特性來減小結(jié)構(gòu)的動力特性的，而不是靠提供外部能量，故稱為“被動調(diào)頻減振控制體系”。

TMD在控制結(jié)構(gòu)振動方面是一種有效的減振裝置。它具有簡潔、可靠、有效以及低成本等優(yōu)點，倍廣泛的應(yīng)用到高層結(jié)構(gòu)以及的土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制中，尤其是高層建筑，電視塔以及橋梁結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計。

隨著高層建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)對風荷載更加敏感，在不少地區(qū)，抗風研究和設(shè)計已成為控制結(jié)構(gòu)安全性能和使用性能的關(guān)鍵因素。此外，國際工程界對超高層建筑上的風速、風壓測試工作也非常重視，在某些世界著名的超高層建筑上架設(shè)有風速儀、測振儀，進行長期的測風測振工作，積累了一定的數(shù)據(jù)。我國在在基于性能的抗風設(shè)計方面的研究尚屬空白，迫切需要加快發(fā)展。

六、結(jié)束語

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中，不可忽視抗風設(shè)計，必須要從高層建筑結(jié)構(gòu)的特點出發(fā)，進行合理有效的抗風設(shè)計工作，進而提高高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平。

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