高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計

李奕寬

引言

建筑物的抗風(fēng)設(shè)計效果對建筑物的使用有很大的影響，我們要能夠針對建筑物的抗風(fēng)設(shè)計方法來進行相關(guān)的優(yōu)化，可以采取加強基礎(chǔ)設(shè)計、設(shè)置耗能減震系統(tǒng)、增大結(jié)構(gòu)的水平荷載能力和提高建筑物的承載力和剛度等方法來保證建筑物的正常安全使用。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計原則

在建筑的設(shè)計過程中，要保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，能夠承受風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力，保證建筑物的正常使用。在建造過程中，要選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和建筑的結(jié)構(gòu)外形；在建筑材料的選擇上面，要盡量選用剛度較大的材料以減少風(fēng)力荷載作用的影響。同時在建筑方面，圓形和正多邊形有利于減少風(fēng)壓的數(shù)值，盡量采取有一定規(guī)范化的形狀和建筑結(jié)構(gòu)，這樣可以減少風(fēng)力的扭轉(zhuǎn)影響。同時，在外墻部分，要能夠保證有較大剛度的維護措施以保證墻體結(jié)構(gòu)的可靠的連接，避免出現(xiàn)墻體的破壞。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的內(nèi)容

2.1 風(fēng)荷載的計算

根據(jù)我國建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)荷載容易的過程中使用的是50年設(shè)計基準(zhǔn)期，同時使用平穩(wěn)二項隨機過程對荷載的隨機過程進行表述。如果氣流碰到建筑物，在建筑物的表層面上會出現(xiàn)壓力，或者出現(xiàn)吸力，具體來說就是產(chǎn)生風(fēng)荷載，近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速和風(fēng)向都會對風(fēng)荷載的大小產(chǎn)生影響，同時建筑的高度、形狀和地表面都會對風(fēng)荷載的大小產(chǎn)生影響。按照新規(guī)范，在計算主體結(jié)構(gòu)時，如果風(fēng)荷載垂直于建筑物表面，則其標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式如下所示，將垂直于風(fēng)向的最大投影面積的作為風(fēng)荷載的作用面積：Wk=βzμsμzW0，在這個公式中，Wk主要指的是風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；W0主要指的是基本風(fēng)壓（kN/m2）；μz主要指的是風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs主要指的是風(fēng)荷載提醒系數(shù)；βz的范圍主要指的是高度處的風(fēng)振系數(shù)。

2.2 加強高層建筑的控制

根據(jù)風(fēng)荷載的作用，要加強控制高層建筑的振幅、振動速度和加速度。

2.3 高層建筑的水平位移指標(biāo)

按照正在使用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要從以上兩個方面限制高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形響應(yīng)：一方面，對高層建筑結(jié)構(gòu)的頂端水平位移u和總高度H的比值（u/H）進行限制，主要目的是對結(jié)構(gòu)的總變形量進行控制；另一方面，是要對相鄰兩層樓蓋間的相對水平位移Δu與層高h(yuǎn)的比值（Δu/h），通常情況下，Δu/h在結(jié)構(gòu)的各層中的比值是不一樣的，并且一般情況下，量大的Δu/h要比u/H的限值要大。對Δu/h進行限制的主要目的是避免破壞填充墻和裝飾部件，防止電梯軌道和管道等設(shè)施出現(xiàn)過大的變形現(xiàn)象。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)加固的方法

3.1 增大截面法

通過對建筑物的結(jié)構(gòu)面積的擴大建設(shè)，能夠提高建筑物的承載能力和截面高度，可以通過改變建筑物的自振頻率的方法，來減小建筑物結(jié)構(gòu)的動力風(fēng)荷載的效應(yīng)。這種方法主要用于加固建筑物之中的梁、板和鋼結(jié)構(gòu)的柱子及建筑物的屋架以及相關(guān)的磚墻和磚柱等部分的加固。這種方法可以有效地增加建筑物結(jié)構(gòu)的自身重量，但是同時也會相應(yīng)地減少使用空間。

3.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法，這是在建筑物結(jié)構(gòu)的四周進行以型鋼來進行加固。這種方法有干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。這種方法的實施原理就是在保持原有構(gòu)建的截面尺寸不變的情況下來提高建筑構(gòu)件的承載力和剛度，主要適用于一些混凝土澆灌的柱子和屋架以及磚墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這種方法的弊端是用鋼量較大，而且維修費用也比較高。

3.3 預(yù)應(yīng)力加固法

在建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)加固的方法之中，還可以采用預(yù)應(yīng)力加固法，這種加固方法的原理是采用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿來對建筑結(jié)構(gòu)進行加固，是在不改變原有使用空間的條件下，來提高建筑構(gòu)件的承載力。主要適用于受彎構(gòu)件以及混凝土澆灌的柱子和屋架等構(gòu)件的加固。加固效果良好，發(fā)展前景廣闊，但是增加了施加預(yù)應(yīng)力的工序和機械設(shè)備。

3.4 改變受力體系加固法

通過改變建筑物的受力體系，并通過在建筑物的構(gòu)件合理位置增設(shè)承重支點和采用托梁拔柱的方法改變建筑物的結(jié)構(gòu)的受力體系，能夠提高建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，可以有效地減少建筑物的整體承重力和以減少裂縫寬度。這種方法主要用于跨度較大的建筑物結(jié)構(gòu)。

3.5 外部粘鋼加固法

這種方法的原理主要是通過用膠黏劑在構(gòu)件外部粘貼鋼板的方法，這種方法不改變構(gòu)件的外形和使用空間，同時能夠提高構(gòu)件的承載能力，而且能夠保證建筑物的正常使用。但是對施工工藝的要求較高，所要求的專業(yè)技術(shù)比較稀缺。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)舒適度的可靠性分析

在實際的情況中，風(fēng)對高層、高聳結(jié)構(gòu)的安全性和適用性兩個方面產(chǎn)生直接的影響，而結(jié)構(gòu)可靠度理論主要是對結(jié)構(gòu)的安全性、實用性和耐久性進行研究。所以要對風(fēng)荷載作用下高層、高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)可靠度進行研究，進而保證高層、高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和風(fēng)振控制工作的順利實施。在側(cè)向力作用的影響下，高層結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)振動的情況，如果振動處于某一限值時，人們就會感覺不舒適。因為建筑高度在不斷的變高、建筑結(jié)構(gòu)體系在不斷的完善等等因素的影響，使得高層建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)著越來越柔和的趨勢，此外，風(fēng)作用發(fā)生的頻率越來越高，高層建筑設(shè)計和控制的重要因素逐漸的變成舒適度。高層和超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)因為高度的快速增加，結(jié)構(gòu)振動阻尼變得越來越小，風(fēng)荷載對高層建筑的作用越來越大，因此高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中首先要考慮風(fēng)運動的人體舒適度。為了更加科學(xué)和合理的對高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適度和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，有必要從可靠性角度分析舒適度。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，在城市中涌現(xiàn)出越來越多的高層建筑。作為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和提高，重視結(jié)構(gòu)試驗研究成果，結(jié)合施工實踐，通過大量工程經(jīng)驗的積累，作出技術(shù)先進、安全可靠、經(jīng)濟合理的各種高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1]黃銘楓.基于風(fēng)振性能的高層建筑抗風(fēng)設(shè)計優(yōu)化[J].工程力學(xué)，2016（2）：240～246，253.