高层建筑结构抗风设计

高层建筑结构分析与设计高层建筑结构抗风设计高层建筑结构抗风设计摘要本文简要介绍了高层建筑结构风荷载作用特点，提出基于性能的结构抗风设计理论框架；对结构抗风概念设计与计算分析及结构抗风性能安全性评价进行简单讨论；同时提出改善抗风性能的结构设计方法，展望抗风设计的发展前景。关键词高层结构，抗风设计，安全性WINDRESISTANTDESIGNOFHIGHRISEBUILDINGSTRUCTUREABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHEHIGHRISEBUILDINGSTRUCTURALCHARACTERISTICSOFWINDLOADS,WINDRESISTANTDESIGNPROPOSEDTHEORETICALFRAMEWORKBASEDONSTRUCTURALPERFORMANCEWINDCONCEPTUALDESIGNOFTHESTRUCTUREANDCALCULATIONANALYSISANDSAFETYEVALUATIONOFSTRUCTURALWINDRESISTANCEBRIEFDISCUSSIONALSOPROPOSEDTOIMPROVETHEWINDRESISTANCEOFTHESTRUCTUREDESIGN,DEVELOPMENTPROSPECTSPROSPECTSWINDDESIGNKEYWORDSTALLSTRUCTUREWINDRESISTANTDESIGNSAFETY1高层建筑结构抗风设计理论高层建筑高宽比大，抗侧刚度小；所承担的水平荷载除地震作用外，主要为风荷载。相比地震作用，风载作用极其频繁。因此，对高层结构而言，风荷载是一种重要的设计荷载，甚至起决定作用。11基于性能的结构抗风设计理论基于性能的结构抗风设计理论的目的是在不同强度水平风振作用下，有效地控制建筑结构的安全、舒适度，明确的不同性能水准，从使建筑物在整个生命周期内，在遭受可能发生的风振作用下，总体费用达到最小的目标。与传统的抗风设计不同，该理论是由业主先给出所期望的结构抗风性能水准，工程师在该要求下，采用与国家规范不相抵触的结果来完成设计。12结构风振性能水准121风振系数风振系数是我国现行荷载规范的一个重要系数，该系数的值对风载值有较大的影响。122人体舒适度在侧向力作用下，高层结构发生振动，当振动达到某一限值时，人们开始有某种不舒适的感觉。人体舒适度可分为无振感、轻微振感、中等振感、烦恼、非常烦恼和无法忍受六个等级。123结构风振性能水准性能水准是针对所设计的建筑物，在可能遇到的特定风振作用下所规定的最大容许舒适度或最大容许破坏。该指标应从舒适度和变形两个方面综合确定。13结构性能目标性能目标是指对所设计的建筑物在设计风压等级下所要求达到的性能水准的总和。需综合建筑物的使用要求、功能要求的重要性、经济性等诸多因素来考虑。14结构抗风计算141理论计算计算分析首先要在分析模型中考虑结构的线性与非线性恢复力特性；其次，选取合理的计算方法对有效的模拟风场并进行风振的动力时程分析；再次，根据不同的性能目标选取合理、快捷的分析方法；最后，发展简单实用的计算方法，减小计算量，加强前后处理软件程序的开发和应用。142风洞试验风洞试验是一种测量大气边界层内风对建筑物作用大小的有效手段。高楼可能造成很强的地面风，对地面造成很大的影响；当附近还有其他高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害，这些都可以通过风洞试验进行分析。15结构抗风性能的安全评价与社会经济评价完成抗风分析之后，必须对结构的抗风舒适性与安全性进行评价，以证实符合所选定的性能目标。结构抗风反应量化参数必须符合性能目标与相关准则，满足业主和社会所要求的强度、刚度、舒适度等性能要求以及经济指标。2风对建筑结构的作用及结构的风效应对于风场中的建筑物，风对建筑物的作用力总体上可分为在建筑物的迎风面产生压力（气体流动产生的阻力），包括静压力和动压力；在横风向产生横风向干扰力（气体流动产生的升力）；空气流经建筑物后产生的涡流干扰力（包括背风向的吸力）。这些风荷载随着风的速度、风的方向、风本身的结构及作用的建筑物的体型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化，而建筑物在风荷载作用下产生的运动反过来又会影响风场的分布状况，这种相互作用使风荷载更加复杂。一般来说，风对建筑物的作用有以下特点（1）风对建筑物的作用力包含静力部分和动力部分，且分布不均匀，随作用的位置不同而变化；（2）风对建筑物的作用与建筑物的几何外形有直接关系，主要指建筑物的体型和截面的几何外形；（3）风对建筑物的作用受建筑物周围的环境影响较大。周围环境的不同会对风场的分布影响很大；（4）与地震相比较，风力作用持续时间较长，有时甚至几个小时，同时作用也频繁。对于建筑结构来说，其风效应包括结构的平均风静力反应、脉动风振反应、旋涡干扰风振反应及结构的自激振动反应。1）结构的平均风静力效应由于平均风变化缓慢周期很大，可等效为静态作用来处理，用结构静力学的方法分析，也就是在计算出风荷载后来分析结构的内力、变形等，必要时分析其稳定性。2）结构顺风向的风振响应是在平均风和脉动风共同作用下产生的。它与结构的基本自振周期有关，结构越柔，基本周期越长，顺风向动力响应就越大。3）结构横向风的风振响应引起结构横风向强迫振动的两个主要原因是尾部激励（旋涡脱落）引起的结构横风向振动；横风向风紊流（侧向脉动风）引起的结构横向风振动。对于圆形截面柱体结构，由于其响应比跨临界共振响应小得多，通常忽略不计。对于非圆形截面的建筑物，特别是窄、高、柔的高层建筑，横风向旋涡随机脱落干扰响应可能超过顺风向响应，因此必须引起重视。4）对于圆柱体细长结构，风致扭转振动响应很小，通常忽略不计。但对于片状结构，矩形高层结构，其风致扭转振动响应相当大。引起这种响应的原因有A结构横截面质心与刚心不重合，因而会引起结构的顺风向、横风向与扭转响应的耦联，这时顺风向与横风向动力风荷载都能引起结构的扭转振动响应。B结构的质心与空气动力中心不重合，这时顺风向与横风向动力风荷载都能对截面质心产生扭转振动响应。C风紊流引起的脉动风压在结构周边的不均匀分布形成随机脉动扭转。D旋涡的随机发放使结构背面和侧面的风压不对称干扰而引起扭转振动响应。3高层建筑结构的抗风设计及计算风荷载是高层建筑结构的主要侧向荷载之一，在非地震区和沿海地带，风荷载又常常成为结构设计的控制荷载。随着高强轻质材料的发展，高层建筑也朝轻质、高柔、小阻尼方向发展，钢结构的超高层建筑越来越多。这些高层建筑的抗风设计在其结构设计中占十分重要的地位。根据风对建筑物造成的破坏来分析，抗风设计要求必须保证结构在使用过程中不出现破坏等现象，主要涉及以下几个方面（1）结构抗风设计必须满足强度设计要求，也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求，确保建筑物在风力作用下不会产生倒塌、开裂和残余变形等破坏现象，以保证结构的安全。（2）结构抗风设计必须满足刚度设计要求，也就是说要使结构的位移或者相对位移满足有关的规范要求，以防止建筑物在风力的作用下引起隔墙开裂、建筑装饰和非结构构件因位移过大而损坏。（3）结构抗风设计必须满足舒适度设计要求，以防止居住者在风力作用下引起的摆动造成的不舒适。影响人体感觉不舒适的主要因素有振动频率、振动加速度和振动持续时间。一般采用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的设计要求。（4）为防止风力对外墙、玻璃、女儿墙及其他装饰构件的局部损坏，也必须对这些构件进行合理设计。（5）结构抗风设计应满足疲劳破坏设计要求。风振引起高层建筑结构或构件的疲劳破坏是高周疲劳累积损伤的结果。根据以上思路，高层建筑的抗风计算主要包括以下几方面的内容（1）风荷载体型系数及周围环境的影响；目前最常用也最为有效的方法仍为通过模型的风洞试验进行确定与反映，也可通过数值模拟进行比对校核。（2）顺风向响应与风振系数；它是结构抗风计算必须考虑的效应。荷载规范中仅给出了一些第一振型影响明显起主要作用的结构，可按照规范提供的公式进行计算。对多振型的分析须依赖于计算手段的提高与完善。（3）横风向风振响应；高层建筑的横风向风振响应主要来自于旋涡脱落。大量的风洞试验和实测结果都表明对于超高层建筑来说，横风向的风振响应常常大于顺风向的风振响应。对于涡激振动引起的高层建筑横风向风振反应，目前还没有成熟的解析解法，风工程界常用经验公式来估算高层建筑顶部的横风向风振响应。（4）扭转风振响应；高层建筑的扭转风振，主要是由于质心与刚心的偏心、质心与形心的偏心以及风紊流与尾流引起的脉动风压合力在截面上作用的位置的变化而引起的。（5）风荷载作用下的舒适度分析；在风力作用下，高层结构发生振动。在振动到达某一限值时，人们开始出现不适的感觉。这种就居住者舒适感而言的振动效应分析，称为舒适度分析。研究表明，舒适度与结构在风荷载作用下的振幅、频率均有关，两者到达某一关系时形成居住者的不舒适感。弯曲振动时，起决定作用的是所考虑点的最大加速度值；扭转振动时，起影响作用的是扭转角速度。故舒适度应通过对以上两个参数的控制予以满足，国外的一些规范对以上参数有相应的限值规定，我国规范对此尚未有明确的要求。4高层建筑结构抗风设计中存在的问题41设计风压等级的确立设计风压等级的建立需要考虑多种因素的影响。目前，我国还没有对结构设计风压等级给出明确定义，具体的划分原则和范围界定还需进一步的研究探讨。42风振系数的确定我国目前确定结构风震系数时采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所获取的阻尼比实测值确定的，而抗风设计所取的风载是30100年一遇的大风荷载。此时，结构的振动将不是微小振动，而是有较大位移的振动，而大位移振动与微振的结构阻尼比是不同的，一般前者比后者大；而阻尼比增大，将使风振系数减小。因此目前我国进行高层建筑钢结构抗风设计所取的风振系数可能偏大。43风振舒适度的考虑高规中规定重现期为10年的最大加速度限值为公共建筑028M/S2；公寓建筑020M/S2。本文认为存在如下有待完善之处首先，重现期取为10年已不能满足要求。建筑荷载设计规范中对一般结构基本风压重现期已规定为50年，且对特殊结构还要进行重现期为100年的舒适度验算；其次，该规定只将民用建筑分为公共建筑和公寓建筑两类，不够具体；再次，将峰值加速度限值仅定为028M/S2和020M/S2，不够精确。44层间位移的限值层间位移的取值是根据业主所要求的性能水平，在相应的层间变形取值范围内由设计方和业主共同确定。然而，很多情况下即使层间位移满足限值要求，也可能因个别构件出现过大塑性变形而产生局部破坏，所以对关键受力构件的局部变形能力还应进行单独验算，控制层间延性比，确保结构的屈服机制趋于合理。5高层建筑抗风设计发展前景随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。此外，国际工程界对超高层建筑上的风速、风压测试工作也非常重视，在某些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪，进行长期的测风测振工作，积累了一定的数据。我国在在基于性能的抗风设计方面的研究尚属空白，迫切需要加快发展。参考文献1刘维青,陈霄潇高层抗风的若干问题J工程建设管