高層建筑風載荷及抗風設計研究

陳敏文

（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福州 350004）

高層建筑風載荷及抗風設計研究

陳敏文

（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福州 350004）

隨著城市現(xiàn)代化建設進程的加快以及新型輕質高強度材料的應用，城市建筑越來越高，這導致的直接結果是建筑結構的固有頻率越來越低，自身阻尼也逐漸變小，在受到強風作用時會發(fā)生破壞，危害到生命財產安全。因此風載荷對建筑結構的影響越來越大，成為超高建筑結構的主要控制研究載荷之一。所以，對高層建筑進行風載荷研究進而對其進行抗風設計很有必要。

高層建筑物；風載荷；抗風設計

0 引言

現(xiàn)代建筑理念的改革創(chuàng)新和施工技術的進步使得現(xiàn)代高層建筑物高度更高，數(shù)量更多。國際上最高的建筑物是高達828 m的哈利法塔，國內最高的建筑物是高達660 m的深圳平安國際金融大廈。而且，我國還是臺風高發(fā)區(qū)域，每年風災造成的損失巨大。比如2006年的15級臺風“桑美”，主要影響臺灣、浙江等地，大面積摧毀房屋，直接造成500多人死亡和25億美元的經濟損失。我國是發(fā)生風災非常頻繁的國家，尤其沿海地區(qū)經常遭受臺風襲擊，內陸也常常出現(xiàn)龍卷風。但是設計人員對于房屋的抗震設計、抗風設計并不重視，專門研究風工程的人員和團隊也較少，所以加大對風工程研究的物資和人員投入迫在眉睫。

1 大氣邊界層風特性

風是空氣對于地球表面的相對運動，相對于地球表面運動時會有地表摩擦力作用產生過阻力，當超過一定高度時，此影響就可以忽略。我們就稱此受摩擦力影響的高度范圍為大氣邊界層厚度，用δ表示。由于大部分建筑物的頂端都處在大氣邊界層以內，因此對于建筑結構風工程的研究主要在大氣邊界層內進行。

1.1 平均風速剖面

平均風速剖面方法在研究風速變化時經常使用，屬于微氣象學研究的范疇，研究方法主要使用對數(shù)律和指數(shù)律兩種模型。

1.1.1 對數(shù)律

對數(shù)律模型當前較為準確和理想，表示大氣最低層的強風風速外形軌跡，表達式如下：

式中：v（z′）——z′高度處的平均風速；

v*——摩擦速度；

k——卡曼常數(shù)，一般取0.4；

z′——有效高度；

z0——地面粗糙長度。

模型由理論推導得到，參數(shù)通過經驗確定或者觀測統(tǒng)計得到。通過計算分析，在高度100 m內用對數(shù)律模型模擬較為合適，超出這個范疇，結果會偏保守。強風情況下，對數(shù)律模型可以超出100 m范圍，適用范圍可以高達200 m。

1.1.2 指數(shù)律

指數(shù)律函數(shù)是指平均風速隨著高度變化的數(shù)學模型，即：

式中：α——地面粗糙指數(shù)。

在建筑結構工程的應用中，因為指數(shù)律計算較為便捷，所以常常使用指數(shù)律模型進行計算。我國荷載規(guī)范就是采用了表達式2，并給出4類對面粗糙度類別以及相對應的梯度風高度和指數(shù)所確定的風剖面。如表1所示。

表1 我國地面粗糙度類別及描述

1.2 基本風速

在標準條件下，觀測某地區(qū)風速，然后統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)得出的此地區(qū)最大的平均風速就叫做基本風速。這里的標準條件具體指B類粗糙度、10 m高度、10 min風時距、50年重現(xiàn)期和極值I型分布的概率分布函數(shù)。下面對重現(xiàn)期和概率函數(shù)分布加以解釋。

1.2.1 重現(xiàn)期

假設12個月是一個自然周期，取一個自然周期中最大的平均風速作為數(shù)學樣例。經過一段時間，就會出現(xiàn)一個大于最大平均風速的速度，其中這個間隔期就叫做重現(xiàn)期。

假設重現(xiàn)期為N年，則在任何一年中風速高出平均風速的概率為1/N。那么不能超過平均風速的概率為：

我國的基本風壓是按照重現(xiàn)期50年設計的，通過上式，如果重現(xiàn)期為50年，得出概率為98%。對于十分重要的建筑結構，應該把重現(xiàn)期提高至100年。

1.2.2 平均風概率分布

對于不出現(xiàn)異常的氣候，稱為良態(tài)氣候。對于良態(tài)氣候，采用極值I型分布函數(shù)統(tǒng)計分析基本風速。表達式如下：

式中：α——尺度參數(shù)；

β——位置參數(shù)。

位置參數(shù)值如式（5）

αx——根方差。

利用式（4），經過變換，可以得到：

式中：x1——基本風速；

F1——小于基本風速x1的概率。

F1與T關系如下：

將式（5）得到的α和β帶入式（6）中，可寫成：

式中：x1——基本風速。

ψ為保證系數(shù)，表達式如下：

1.3 基本風壓

在工程計算中常常需要計算風壓，這就需要把風速轉換成風壓。根據(jù)伯努利方程可以得到：

式中：w1——單位面積上的靜壓力；

ρ——空氣密度；

v——沿某一流線的風速。

則可以將基本風速v0轉換成基本風壓w0，即：

2 脈動風特性

2.1 湍流強度

湍流強度是大氣湍流度的基本參數(shù)。其縱向分量比其他兩個正交方向上的瞬時風速分量大得多，所以我們只關心縱向分量即順風向湍流強度，其關系式為：

式中：I（z）——z處的湍流強度；

σ（vfz）——順風向（即縱向）脈動風速根方差；

Z值越大，σ越小，平均風速越大，I（z）的表達式為：

式中：I10——10 m處的名義湍流度。

I10對應表1中4類地貌取值分別為0.12、0.14、0.23和0.39。

2.2 湍流積分尺度

一點的氣流脈動由無數(shù)個漩渦組成，每個漩渦都能引發(fā)周期脈動，圓頻率為w=2πn，其中n為頻率。漩渦波長記為λ=u/n，u為風速，則漩渦波數(shù)K=2π/λ，波數(shù)即為渦旋的大小量度。

由隨機變量y和z的相關系數(shù)定義湍流尺度：

式中：ρ（r）——相互關系數(shù)，可了解到渦團在空間的布局；

r——兩點間的距離。

3 風對高層建筑的作用

3.1 鈍體建筑物迎風面風壓分布

在鈍體建筑物的迎風面，氣流流過時都有向外側流動的趨勢。圖1（a）、（b）兩圖表示，在建筑物高度的大約2/3處，存在一個大氣停滯點FS，氣流從此處向外流動擴散。在FS點之上，流動上升至越過頂面，在FS點以下，流動向下流向地面。圖1（c）為建筑物的迎風面風壓系數(shù)的等值線圖。

圖1 建筑物迎風面風壓分布

3.2 鈍體建筑物邊界層分離

空氣具有黏性，氣流經過建筑物表面時會形成一層流動薄層，稱邊界層。再加上空氣有慣性作用，黏性和慣性是影響氣體流動參數(shù)的兩個關鍵因子。雷諾數(shù)Re表示慣性力和黏性力的比值，表達式如下：

式中：ρ——空氣密度；

v——來流速度；

μ——空氣黏性系數(shù)；

l——建筑物表面特征尺度。

Re值較大時，慣性力為關鍵作用力；Re值較小時，黏性力為關鍵作用力。

流體沿建筑壁面向后流動時，由于黏性應力的存在，速度會逐漸減小，則靜壓會增加。在正壓梯度的作用下，流體繼續(xù)減速，最后流動不足以讓流體繼續(xù)流動，在阻力作用下產生逆流，最終形成邊界層分離。

4 高層建筑抗風設防標準

第一層次的抗風性能的主要指標是高層建筑結構的振動感和生活的舒適度。抗風性能的第一層標準主要指標是高層建筑結構的振動信號和住房的舒適度。第一層標準的風災烈度較小，用重現(xiàn)期為1～5年的設計風速來確定相應風載荷。第二層次對應的是重現(xiàn)期為10年的設計風速。這個標準一般用于限制建筑物在臺風下的振動烈度。這兩個標準在傳統(tǒng)結構設計中還沒有對應的設計方法。在結構設計中可以對建筑物結構外形進行氣動外形優(yōu)化，或者利用高層建筑物自動化結構設計方法來實現(xiàn)抗風設計。第三層次包括建筑物結構強度、位移和穩(wěn)定性的結合。對應風災烈度一般為50年或者100年重現(xiàn)期下的基本風壓?？偨Y見表2。

5 高層建筑結構抗風設計方法

5.1 增大截面方法

建筑物的橫截面面積的增加，可以提高建筑物的截面剛度和承載力，從而改變其固有頻率，從而減少動力風荷載的影響。具體方法如加固結構中增加梁、板和鋼柱等結構。但是此方法會使得使用空間減小，并增加結構自重。

TU352.2

A

1673-1093（2015）02-0073-04

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.02.018

2014-11-09；

2014-12-01