風(fēng)荷載作用下高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

宋萬鵬

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)主要與場(chǎng)地類別、抗震設(shè)防烈度、地震加速度值、地震分組等有關(guān)。在平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)中，除考慮地震作用外，還應(yīng)考慮風(fēng)荷載作用，即結(jié)構(gòu)抗風(fēng)行為受力計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)主要與風(fēng)壓、地面粗糙程度、順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度值、結(jié)構(gòu)各段體形系數(shù)、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面面積等有關(guān)[1-3]。

1 風(fēng)荷載基本特性

風(fēng)速與高度之間有著緊密的聯(lián)系，高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮風(fēng)速因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。風(fēng)是空氣中氣壓不均而出現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象而導(dǎo)致的結(jié)果，不同的建筑高度所承受的風(fēng)速具有很大的差異，水平荷載中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和建筑高度二次方之間呈正比關(guān)系，可用式（1）表達(dá)：

式中：n-指數(shù)，與建筑物周邊的環(huán)境有關(guān)系；Vh-h高度的風(fēng)速；h0-基準(zhǔn)高度，其風(fēng)速以V0表示，單位m/s。

氣流在空氣中遇到建筑物的情況下，在建筑物的表面位置會(huì)出現(xiàn)一定的吸力與壓力，即為風(fēng)荷載，近地風(fēng)的風(fēng)向、性質(zhì)、風(fēng)速等均會(huì)影響風(fēng)荷載大小，同時(shí)風(fēng)荷載也受到地面表面狀況、形狀及高度的影響。

與建筑物表現(xiàn)垂直的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)可用式（2）表示：

式中：Mz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Bz-高度處的風(fēng)振系數(shù)；W0-基本風(fēng)壓（kN/m2）；Wk-風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；Ms-風(fēng)荷載體型系數(shù)。

2 高層建筑特性分析

在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)抗水平的側(cè)向剛度是高層建筑（尤其超高層建筑）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為滿足結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的控制。建筑受到風(fēng)荷載的受力圖呈倒三角形分布，而剪力呈正三角形分布，據(jù)此高層結(jié)構(gòu)剛度分布應(yīng)為上小下大的漸變分布特征。

對(duì)高度不小于150m的高層建筑，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度的要求。對(duì)住宅、公寓類建筑，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度不得超過0.15m/s2，對(duì)辦公、旅館類建筑，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度不得超過0.25m/s2。正常條件下，高層建筑物處于彈性狀態(tài)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)整體變形對(duì)幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。因此，需合理布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，如框架梁、連梁、剪力墻、框架柱、筒體等。不同結(jié)構(gòu)形式可采用不同的抗側(cè)力構(gòu)件或組合構(gòu)件，以滿足結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、風(fēng)振舒適度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求。

3 基于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)高層建筑體型

3.1 加強(qiáng)高層建筑的平面設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)可采用橢圓形、圓形等流線形，與矩形平面相比具有更小的扭力矩、順風(fēng)力，具有低于矩形平面20%～40%的風(fēng)荷載效應(yīng)，是高層建筑設(shè)計(jì)中重要的平面形式之一。正多邊平面具有較小的平面體型系數(shù)，具有多項(xiàng)對(duì)稱特征，橫風(fēng)力、順風(fēng)力之間的差別較小，在目前高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中較為常見，對(duì)平面轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)了銳角三角形的形態(tài)，為減少設(shè)計(jì)過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象及角落效應(yīng)，宜采用切角處理方式。

隨著建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格的多樣化，往往不能采用橢圓或正多邊形平面，較為常見的平面類型有十字、T、Y、L、H以及槽形等復(fù)雜平面，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合最大風(fēng)向角，建筑迎風(fēng)面宜選擇迎風(fēng)面較小或風(fēng)荷載效應(yīng)較小的一面。因此高層建筑及超高層建筑，抗風(fēng)設(shè)計(jì)不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，更是建筑方案、總圖規(guī)劃等問題。

3.2 加強(qiáng)體型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)可采用上小下大的臺(tái)體與錐體形式，該體型可減小建筑物的受力面積，避免較大風(fēng)荷載的影響。設(shè)置最佳的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)比例，高度以H表示，寬度以B表示，建筑長(zhǎng)度以L表示。L/B范圍值應(yīng)控制在2～3之間，不宜大于4，H/B應(yīng)設(shè)置在3～4之間，不宜超過6。

3.3 加強(qiáng)抗側(cè)剛度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)抗側(cè)剛度設(shè)計(jì)，抗側(cè)剛度應(yīng)呈現(xiàn)漸變分布特征，剛度應(yīng)上小下大。設(shè)計(jì)時(shí)可采用體型的變化達(dá)到調(diào)整抗側(cè)剛度分布的效果，如臺(tái)體與錐體的體型即具有剛度調(diào)整作用。體型上下等寬的結(jié)構(gòu)，可改變豎向構(gòu)件截面厚度的方式來調(diào)整側(cè)向剛度。

采用并聯(lián)高層建筑群設(shè)計(jì)方式。單棟建筑相當(dāng)于一個(gè)懸臂構(gòu)件，而聯(lián)立多棟建筑頂部或中間部位，形成空間桁架效應(yīng)，則具有極大的抗側(cè)剛度。該結(jié)構(gòu)形式需與建筑方溝通，取得認(rèn)可后方可采用。但該結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

3.4 加強(qiáng)泄風(fēng)設(shè)計(jì)

對(duì)建筑平面深寬比較大，高度較高，具有弧形或折線形平面，在風(fēng)荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)較大的共振作用及橫風(fēng)向效應(yīng)，使建筑尾部位置可能出現(xiàn)流體旋渦脫落現(xiàn)象，因此需要加強(qiáng)泄風(fēng)設(shè)計(jì)。

泄風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合建筑周邊的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)設(shè)備，利用立面透空特征，可在建筑物適宜高度設(shè)置泄風(fēng)開口，對(duì)建筑整體進(jìn)行泄風(fēng)。加強(qiáng)底部泄風(fēng)，可在高層建筑的近地面位置設(shè)置挑棚，或在高層底部設(shè)置裙房，以減弱下沉渦流對(duì)底層的影響。考慮泄風(fēng)發(fā)電，充分發(fā)揮建筑群間或建筑泄風(fēng)開口的局部強(qiáng)風(fēng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)綠色資源利用。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)研究

4.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論可以看出，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究方式主要是根據(jù)實(shí)際情況采取對(duì)應(yīng)的研究方式，一般情況下分為三種情況：模擬方法在高層建筑結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)研究中是一種比較常用的研究方法，通過計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬，最終得到風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)受力的影響，包括風(fēng)洞模擬和數(shù)值模擬。理論計(jì)算在土工工程專業(yè)中，是教學(xué)的重點(diǎn)，更是學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)，理論研究包括頻域法和時(shí)域法，頻域法主要以隨機(jī)振動(dòng)理論為主，通過建立直接關(guān)系進(jìn)行計(jì)算；時(shí)域法是直接動(dòng)力法，直接投入計(jì)算公式計(jì)算。實(shí)地考察主要是應(yīng)用相應(yīng)的設(shè)備儀器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)荷載的加速度、風(fēng)壓，最后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并計(jì)算出風(fēng)荷載振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

4.2 風(fēng)荷載研究方法

在高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究中，主要研究是近地面空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)荷載，由于近地面風(fēng)沒有規(guī)律性，需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。按照風(fēng)向可以分為扭轉(zhuǎn)風(fēng)向、逆風(fēng)向和順風(fēng)向，在順風(fēng)向同樣需要根據(jù)具體情況具體分析，分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，平均風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力荷載，高度越高對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)力就越高。脈動(dòng)風(fēng)屬于動(dòng)力性風(fēng)，主要受到振動(dòng)內(nèi)力、位移和加速度的影響。目前對(duì)橫向風(fēng)和扭轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)研究較少。

5 結(jié)論

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于受到規(guī)劃布置、外觀設(shè)計(jì)和功能特性等要求，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出平面不規(guī)則現(xiàn)象。平面不規(guī)則在受風(fēng)荷載作用的影響，會(huì)使整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)受力發(fā)生整體的變化，在各個(gè)不規(guī)則交接的地區(qū)產(chǎn)生變形集中和應(yīng)力集中的現(xiàn)象。對(duì)于平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)而言，不僅工作量大，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)性，所以在設(shè)計(jì)過程中，必須要充分結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)應(yīng)用各種理論，這樣的設(shè)計(jì)才能最大化保證平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適性、穩(wěn)定性和安全性。