關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性的研究

李智平　呂恒

摘 要：在高層建筑結(jié)構(gòu)的總荷載效應(yīng)中風(fēng)荷載效應(yīng)占有較大比重，且從某種程度上而言具有決定性作用。當(dāng)前施工技術(shù)與現(xiàn)代材料學(xué)發(fā)展迅速，新型建筑結(jié)構(gòu)得以涌現(xiàn)，且一般柔性較好，具有阻尼小與重量輕的特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)有較強(qiáng)敏感性，因此當(dāng)前人們對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性以及可靠性要求更高。因此需開展高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性研究，以提升設(shè)計(jì)者對(duì)于風(fēng)影響力度的重視。

關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu) 抗風(fēng) 可靠性

中圖分類號(hào)：TU208.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0071-01

結(jié)構(gòu)對(duì)于人類而言是基于自身生存滿足、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與文化活動(dòng)所需出現(xiàn)的構(gòu)筑物或者建筑物。結(jié)構(gòu)工程存在歷史較長，其發(fā)展密切關(guān)聯(lián)于人類文明，且可將時(shí)代科技水平體現(xiàn)出來。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷提升，土地資源逐漸稀缺且城市人口愈發(fā)密集，同時(shí)商業(yè)競(jìng)爭也逐漸激烈，由于出現(xiàn)了高層建筑，可提升土地利用率并對(duì)城市人口居住問題予以有效解決。荷載可直接影響結(jié)構(gòu)的實(shí)用性與安全性，而風(fēng)荷載在高層結(jié)構(gòu)中存在瞬時(shí)與累積作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性有著影響。

1 風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用與特點(diǎn)

1.1 風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用

高層建筑結(jié)構(gòu)若長時(shí)間受到風(fēng)力作用會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物搖晃，增強(qiáng)建筑物使用者的不適感；風(fēng)力作用會(huì)導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)開裂或者殘余變形現(xiàn)象；強(qiáng)風(fēng)會(huì)破壞高層建筑主體或者裝修，不僅損失建設(shè)方效益也為使用者帶來不便。

風(fēng)主要產(chǎn)生于地球大氣層中空氣的流動(dòng)。高層建筑結(jié)構(gòu)受到風(fēng)力作用后會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)。盡管風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)造成的影響可能比地震要小，但是由于風(fēng)荷載出現(xiàn)頻率要高于地震，故而高層建筑承受風(fēng)荷載后其災(zāi)害要多于地震災(zāi)害。雖然迄今為止世界上尚未出現(xiàn)由于風(fēng)力作用導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞或者出現(xiàn)倒塌事件，但是部分建筑物經(jīng)受臺(tái)風(fēng)侵襲后其殘余變形通常比較明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)后得知，全球風(fēng)災(zāi)損失要高于地震損失，因此對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言一定要做好抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作，以增強(qiáng)抗風(fēng)可靠性。

1.2 風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的特點(diǎn)

前文已經(jīng)提及風(fēng)的來源，且高層建筑結(jié)構(gòu)承受風(fēng)力作用后會(huì)出現(xiàn)雙重影響，其一會(huì)導(dǎo)致高層建筑出現(xiàn)風(fēng)振（風(fēng)力振動(dòng)），其二則會(huì)在高層建筑上出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)壓力，且具有較高穩(wěn)定性。由此可知，高層建筑承受風(fēng)力作用后不僅有靜力影響還有動(dòng)力影響，其特點(diǎn)具體如下。

（1）由于氣象觀測(cè)時(shí)間較長，故而在對(duì)高層建筑風(fēng)力大小予以評(píng)估時(shí)其可靠性要遠(yuǎn)高于地震，故而高層建筑結(jié)構(gòu)在開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)可靠性也較高。

（2）相較于地震作用風(fēng)力作用有更長的持續(xù)時(shí)間，且高層建筑在生存時(shí)間內(nèi)其較大風(fēng)力出現(xiàn)機(jī)會(huì)也要多一些。

（3）高層建筑的風(fēng)荷載分布具有不均勻性，在角區(qū)內(nèi)收或者立面等局部區(qū)域風(fēng)力較大。

（4）高層建筑周邊環(huán)境會(huì)對(duì)風(fēng)力產(chǎn)生影響，一般而言若高層建筑處于高層建筑群中，則經(jīng)常存在受力不均現(xiàn)象，故而要增加安全系數(shù)。

（5）風(fēng)力作用直接受到高層建筑結(jié)構(gòu)外形的影響，一般而言若建筑物為圓形或者正多邊形則承受風(fēng)力較小，便于開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)可靠性設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)中風(fēng)荷載屬于側(cè)向荷載之一，且在沿海地區(qū)或者非地震區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常將風(fēng)荷載當(dāng)做控制荷載。由于風(fēng)會(huì)破壞建筑物，故而在開展結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證建筑物在使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，可從以下幾點(diǎn)開展。

2.1 必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

高層建筑結(jié)構(gòu)在開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要與強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求充分滿足，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件遭受風(fēng)荷載與其他荷載的協(xié)同作用時(shí)其強(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)要求，確保建筑物遭受風(fēng)力作用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)殘余變形、坍塌事件，確保結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。

2.2 必須與剛度設(shè)計(jì)要求相滿足

高層建筑結(jié)構(gòu)在開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分與剛度設(shè)計(jì)要求相滿足，即結(jié)構(gòu)位移及相對(duì)位移需與規(guī)范要求相滿足，避免高層建筑在遭受風(fēng)力侵襲時(shí)出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者建筑裝飾移位現(xiàn)象，同時(shí)還要避免隔墻開裂，導(dǎo)致建筑物功能受損。

2.3 必須與舒適度設(shè)計(jì)要求相滿足

高層建筑結(jié)構(gòu)在開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分與舒適度設(shè)計(jì)要求相滿足，這樣可避免高層建筑遭受風(fēng)力侵襲時(shí)出現(xiàn)過度搖晃或者擺動(dòng)，使居住者產(chǎn)生不適感。振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率以及持續(xù)時(shí)間是導(dǎo)致人體出現(xiàn)不適感的主要因素，一般可應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度予以限制的方法開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)，以與舒適度設(shè)計(jì)要求相符。

2.4 必須與疲勞破壞設(shè)計(jì)要求相滿足

高層建筑結(jié)構(gòu)在開展抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要與疲勞破壞設(shè)計(jì)要求相滿足，風(fēng)振會(huì)導(dǎo)致建筑物構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞，而這又是高周期疲勞累積損傷的后果。

2.5 開展結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算并進(jìn)行安全評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)構(gòu)抗風(fēng)先要開展理論計(jì)算，分析有效模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)振方向動(dòng)力時(shí)程，結(jié)合高層建筑具體要求選取最佳計(jì)算方法，要確保其快捷與簡便性。風(fēng)洞試驗(yàn)，可有效測(cè)量建筑物承受大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的作用大小。最后開展安全評(píng)價(jià)，主要評(píng)價(jià)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性與舒適性。

2.6 減輕自重，確保結(jié)構(gòu)體系的合理性

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中需使用性能較好且輕質(zhì)高強(qiáng)材料，既可降低重力荷載，還能減少工程成本?；诮ㄖ煨团c空間設(shè)計(jì)優(yōu)良的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)體系予以構(gòu)建并確保其合理性。結(jié)構(gòu)體系隨著建筑物高度的變化也會(huì)存在差異，結(jié)構(gòu)體系的合理性不僅可提升建筑物抗側(cè)力，還能提升其經(jīng)濟(jì)效益。

2.7 抗風(fēng)加固

對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)開展抗風(fēng)加固方法較多，包括改變受力體系、預(yù)應(yīng)力、外包鋼、增加截面、外部粘鋼等加固方法。上述方法圍繞點(diǎn)為建筑物總體承載的提升，并注重對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力與穩(wěn)定性予以加強(qiáng)。此外，為防止風(fēng)力損壞裝飾構(gòu)件，例如女兒墻、玻璃以及外墻等，也需合理設(shè)計(jì)上述構(gòu)件。

3 結(jié)語

風(fēng)荷載在柔性結(jié)構(gòu)中屬于主要設(shè)計(jì)荷載，有時(shí)甚至?xí)袥Q定性作用。在工程結(jié)構(gòu)中一定要做好抗風(fēng)設(shè)計(jì)工作并確保其可靠性。由于結(jié)構(gòu)與風(fēng)荷載具有不確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，故而基于概率角度對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載動(dòng)力與靜力響應(yīng)予以研究屬于抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要手段。該文提出了風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的主要作用與特點(diǎn)，而后從七個(gè)方面提出做好高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，以期提升高層建筑的安全性。

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