關(guān)于群體高層建筑風(fēng)荷載干擾的研究

【摘要】建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載干擾問(wèn)題備受關(guān)注?；谌后w高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)背景，本文就群體高層建筑風(fēng)荷載干擾問(wèn)題進(jìn)行研究，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)代群體高層建筑風(fēng)荷載干擾的研究成果，總結(jié)出相關(guān)結(jié)論，供同行參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】群體高層建筑；風(fēng)荷載；干擾；研究

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮風(fēng)荷載干擾，站在風(fēng)荷載干擾角度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以免建筑因風(fēng)荷載干擾或風(fēng)荷載作用而降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，發(fā)生傾斜、倒塌等安全事故。為探討高層建筑與風(fēng)荷載之間的關(guān)系，筆者現(xiàn)結(jié)合“結(jié)構(gòu)風(fēng)工程”學(xué)科知識(shí)，對(duì)群體高層建筑施工、使用中受到的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)作詳細(xì)分析，具體內(nèi)容如下。

一、建筑表面風(fēng)荷載干擾

目前學(xué)術(shù)界對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的研究方法有三種，分別為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)以及數(shù)值模擬計(jì)算。三種方法中最常用的研究方法是風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)方法在現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用很是廣泛，并且受到了研究人士的推崇與喜愛(ài)，比其他方法更為成熟。

利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高層建筑風(fēng)荷載干擾進(jìn)行分析，根據(jù)試驗(yàn)分析得出相應(yīng)結(jié)果，可模擬計(jì)算出高層建筑風(fēng)致響應(yīng)。國(guó)內(nèi)目前可采用的群體高層建筑風(fēng)荷載干擾與致響應(yīng)研究方法有：

（1）建筑動(dòng)力響應(yīng)信息的獲取，該方法的實(shí)現(xiàn)可采用氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)分析，得出建筑的氣動(dòng)彈性，搜集動(dòng)力響應(yīng)信息。

（2）通過(guò)確定建筑動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力的方式來(lái)獲取建筑動(dòng)力響應(yīng)信息，該方法在實(shí)施時(shí)可采用高頻底座天平，利用天平來(lái)計(jì)量、獲取建筑設(shè)計(jì)所需信息。

（3）設(shè)計(jì)中利用電子掃描閥來(lái)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行確定，借助掃描閥的多通道測(cè)量功能來(lái)對(duì)建筑動(dòng)力響應(yīng)信息進(jìn)行獲取，完成風(fēng)洞模擬試驗(yàn)。

利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高層建筑表面風(fēng)荷載干擾進(jìn)行研究，分析得出以下結(jié)論：風(fēng)荷載會(huì)導(dǎo)致建筑振動(dòng)，使高層建筑物產(chǎn)生橫風(fēng)向振動(dòng)，且樓層高度越高，建筑物振動(dòng)速率越接近在風(fēng)速。將這一結(jié)論延伸開(kāi)，可推出“橫風(fēng)向風(fēng)荷載對(duì)高層建筑起著支配作用”這一結(jié)論。

國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)中有記載，在高層建筑長(zhǎng)、寬橫風(fēng)向扭轉(zhuǎn)響應(yīng)研究中，建筑長(zhǎng)寬比對(duì)建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)荷載響應(yīng)起決定作用。結(jié)合下圖1不同錐度建筑模型圖分析，高層建筑長(zhǎng)寬比變化（錐度變化）對(duì)建筑的動(dòng)力響應(yīng)有直接影響，尤其是建筑橫風(fēng)向的動(dòng)力響應(yīng)。但要注意的是，并不是所有建筑在錐度發(fā)生變化后，其所受到的順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)都要比橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)小，也不是所有建筑都會(huì)在錐度變化后改變建筑橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)，仍有小部分建筑在改變錐度后，其橫風(fēng)向所受的動(dòng)力響應(yīng)并不會(huì)發(fā)生變化。

二、風(fēng)荷載對(duì)高層建筑舒適性的干擾

1、群體高層建筑風(fēng)荷載干擾

群體高層建筑受風(fēng)荷載影響和干擾，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多會(huì)采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施，確保建筑安全?？紤]到風(fēng)荷載干擾能根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式的不同而改變干擾程度，所以在設(shè)計(jì)施工高層建筑前期，還要結(jié)合建筑所處地勢(shì)，對(duì)影響建筑風(fēng)荷載干擾的因素進(jìn)行分析，了解并掌握其特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，能對(duì)群體高層建筑風(fēng)荷載干擾產(chǎn)生影響的因素主要有：建筑外觀造型、建筑尺寸、建筑個(gè)數(shù)、建筑建造位置、風(fēng)速以及風(fēng)場(chǎng)。研究采用風(fēng)洞試驗(yàn)，并得出相關(guān)結(jié)論，即：一，群體建筑中，下游建筑比中上游建筑更容易受風(fēng)荷載干擾；二，下游建筑受風(fēng)荷載干擾以后，群體建筑共同承受的風(fēng)荷載干擾程度會(huì)有所降低，原因是建筑所受的靜風(fēng)荷載減小，但要注意的是，建筑靜風(fēng)荷載減小的同時(shí)，動(dòng)力風(fēng)荷載會(huì)隨之增加。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，群體建筑在風(fēng)荷載干擾下可能會(huì)產(chǎn)生“狹管現(xiàn)象”，意思是指上游建筑物處于某些特定位置，受風(fēng)荷載干擾之后反而使群體建筑平均風(fēng)荷載增加。干擾效應(yīng)通常以干擾因子FI（或抖振因子、遮擋因子）來(lái)定量描述：FI=RI/RA，RI和RA分別是建筑物受干擾以后和無(wú)干擾時(shí)的荷載或響應(yīng)，由于建筑物橫風(fēng)向平均響應(yīng)一般很小，靜力干擾效應(yīng)通常只考慮順風(fēng)向。

2、高層建筑風(fēng)荷載舒適性

高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下由于脈動(dòng)風(fēng)的影響將產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)有可能使在高層建筑內(nèi)生活或工作的人在心理上產(chǎn)生不舒服感，從而影響建筑物的正常使用。美國(guó)紐約曾有一幢55層的塔樓建筑，在東北大風(fēng)作用時(shí)，由于建筑物的擺動(dòng)，使人不能在頂部幾層的寫(xiě)字臺(tái)上進(jìn)行書(shū)寫(xiě)，引起了人們研究建筑物的風(fēng)運(yùn)動(dòng)使人體產(chǎn)生不舒適感的興趣。特別是超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，由于高度的迅速增加，阻尼比變小，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中風(fēng)運(yùn)動(dòng)的人體舒適度則上升為首要和控制的因素。人體舒適度的判別標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)際上較為公認(rèn)的或在實(shí)際工程中采用較多的是最大加速度響應(yīng)判別方法，研究已有30多年的歷史，我國(guó)規(guī)程就采用了這種方法。該方法的最大加速度響應(yīng)通過(guò)將順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向三者考慮一定的折減系數(shù)疊加而成。

三、國(guó)內(nèi)高層建筑風(fēng)荷載研究存在的問(wèn)題

當(dāng)前我國(guó)關(guān)于高層建筑風(fēng)荷載干擾的研究還存在一定不足，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）風(fēng)荷載干擾研究面有待再次拓寬。以表面風(fēng)荷載研究為例。目前，國(guó)內(nèi)的研究幾乎全部基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓研究，甚少進(jìn)行建筑物內(nèi)部空氣壓力的影響研究，在規(guī)范中更是只字未提。而根據(jù)國(guó)外多項(xiàng)事故分析，它對(duì)圍護(hù)構(gòu)件和主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很重要。

（2）研究精度還需繼續(xù)提高。對(duì)于高層建筑而言，作用在表面風(fēng)荷載的不同，可能影響結(jié)構(gòu)體系的整個(gè)受力狀況。風(fēng)荷載表面分布計(jì)算不精確，導(dǎo)致其后關(guān)于不同長(zhǎng)寬比、高寬比的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算誤差更大，精確度有待進(jìn)一步提高。

（3）目前的研究成果遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的需要，還需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該更注重研究手段和方法，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)荷載和高層建筑之間存在相互關(guān)系，風(fēng)荷載會(huì)對(duì)高層建筑產(chǎn)生干擾，影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)受力。在本篇文章中，筆者著重論述了風(fēng)荷載對(duì)群體高層建筑的干擾，并對(duì)群體高層建筑在使用中所受到的橫風(fēng)向風(fēng)荷載、順風(fēng)向風(fēng)荷載作了詳細(xì)分析，得出了一系列結(jié)論，供同行參考。

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