建筑結(jié)構(gòu)中的風(fēng)載體型系數(shù)與體型設(shè)計(jì)

黃玉梅

【摘 要】建筑結(jié)構(gòu)中風(fēng)載體形系數(shù)對(duì)整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)形式都有著十分重要的影響，國(guó)內(nèi)外的研究人員也對(duì)該因素進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，這就足以看出建筑結(jié)構(gòu)中風(fēng)載體型系數(shù)和體型設(shè)計(jì)對(duì)建筑物整體設(shè)計(jì)的重要性，本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的風(fēng)載體型系數(shù)與體型設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和闡述，以供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)載體型系數(shù)；風(fēng)洞試驗(yàn)；建筑體型

通常風(fēng)的形成和水平氣壓梯度力是有著一定的關(guān)系的，風(fēng)吹動(dòng)的方向是一般是從氣壓比較高的方向吹到氣壓比較低的方向，氣壓在遇到了結(jié)構(gòu)的阻擋作用以后就會(huì)形成一個(gè)比較高的氣壓幕。房屋的外表會(huì)受到氣流的影響，一般情況下我們將房屋表面所承受的風(fēng)壓和大氣氣流風(fēng)壓所產(chǎn)生的比值就叫做風(fēng)載體型系數(shù)，土壤主要是對(duì)建筑表面在承受風(fēng)壓的情況下壓力分布的具體規(guī)律，該系數(shù)的大小和很多因素都存在著一定的聯(lián)系，但是最為明顯的影響因素就是建筑自身的體形和尺寸，以及地面的粗糙系數(shù)，以下筆者就這一問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和闡述。

1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1數(shù)值模擬法

在研究的過(guò)程中計(jì)算風(fēng)工程方法中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，當(dāng)前支持CFD技術(shù)的軟件也在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，這些軟件的出現(xiàn)也在很大程度上促進(jìn)了CFD技術(shù)的進(jìn)步，在應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)建筑物四周的風(fēng)流動(dòng)過(guò)程中需要遵循的動(dòng)力學(xué)方程對(duì)其進(jìn)行求解，然后根據(jù)方程計(jì)算后所產(chǎn)生的數(shù)值建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，這樣就可以對(duì)建筑物周?chē)娘L(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬和還原，這種方式在應(yīng)用的過(guò)程中可以體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì)，首先在建模的過(guò)程中不需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)性也相對(duì)較好，建模的過(guò)程中也形成了相對(duì)比較科學(xué)的資料，這樣也為對(duì)象的分析帶來(lái)了一定的便利，其次是可以建立和建筑物尺寸完全相同的模型，最大程度上還原真實(shí)的情況。最后是在模擬的過(guò)程中可以根據(jù)自身研究的需要對(duì)條件進(jìn)行變更，同時(shí)在建筑的初步設(shè)計(jì)活動(dòng)中已經(jīng)是休閑了很好的應(yīng)用效果。

國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者以高層的建筑群作為研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，建立了一種新的模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究，對(duì)相關(guān)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算，計(jì)算之后又進(jìn)行了一定的研究和對(duì)比。模擬的最終結(jié)果表明，在雷諾數(shù)相等的情況下實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)際的真實(shí)情況相差并不是很大，，如果在來(lái)流的風(fēng)速和建筑的主軸方向呈現(xiàn)平行關(guān)系的時(shí)候，尾流中的旋流回渦數(shù)值和實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值由比較大的差異，但是在平均風(fēng)壓的分布情況上來(lái)看，差別并不明顯。

1.2風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M法

目前對(duì)風(fēng)工程的研究最常使用的就是實(shí)驗(yàn)室模擬，風(fēng)洞試驗(yàn)在這一研究工作中發(fā)揮著十分重要的作用。這一試驗(yàn)方法可以非常有效的對(duì)工程結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)和風(fēng)洞荷載進(jìn)行詳細(xì)的分析，在經(jīng)過(guò)分析之后還要對(duì)其采取方便、安全、有效的設(shè)計(jì)方案。風(fēng)洞試驗(yàn)在應(yīng)用的過(guò)程中也可以體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中可以對(duì)試驗(yàn)的方法和條件進(jìn)行人為的控制，同時(shí)在該試驗(yàn)當(dāng)中所呈現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)都是比較真實(shí)可靠的，該試驗(yàn)還真實(shí)的被應(yīng)用在了工程實(shí)例中，同時(shí)也取得了比較好的效果，當(dāng)然風(fēng)洞試驗(yàn)也存在著一定的不足，在試驗(yàn)的過(guò)程中需要有大量的資金支持，同時(shí)完成試驗(yàn)也需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

1.3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法

這種方法是風(fēng)工程研究當(dāng)中最為直觀也最為有效的一種方法，但是這種方法在建筑施工之前是無(wú)法應(yīng)用的，所以在建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，這種方法不能給設(shè)計(jì)人員提供一定的參考和借鑒，這種方法雖然可以最為直接的對(duì)風(fēng)工程進(jìn)行研究。但是其在實(shí)施的過(guò)程中需要有大量的人力、物力和財(cái)力的支持，所以也很少應(yīng)用在研究工作當(dāng)中。在研究的過(guò)程中將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合可以使得整個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)更具可靠性，同時(shí)還減少了成本，使得整個(gè)設(shè)計(jì)方案都得到了優(yōu)化。

2.高層建筑體型設(shè)計(jì)與風(fēng)載的關(guān)系

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往水平荷載起決定性作用，隨著建筑層數(shù)的增多與高度的增加，風(fēng)荷載與地震作用更加成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。而風(fēng)荷載的強(qiáng)弱既取決于其自然特性，又與建筑的體型特征密切相關(guān)。

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)特征分析

在高層或超高層建筑設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是側(cè)向剛度，而水平位移指標(biāo)，即建筑頂端最大位移與建筑總高度之比，能準(zhǔn)確判斷建筑側(cè)向剛度的參數(shù)，所以設(shè)計(jì)中嚴(yán)格規(guī)定了建立水平位移指標(biāo)的限值。高層建筑所受風(fēng)荷載呈倒三角形分布，其剪力則為正三角形分布，因此，其結(jié)構(gòu)剛度宜為上小下大漸變分布。

2.2風(fēng)效應(yīng)

風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及風(fēng)和結(jié)構(gòu)間的相互作用會(huì)制約風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，可分別考慮脈動(dòng)風(fēng)和自然風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力含有順風(fēng)力、橫風(fēng)力和扭力矩三種。順風(fēng)力是必須要考慮的效應(yīng)，一般情況下起主導(dǎo)作用。橫風(fēng)力及共振是在橫風(fēng)力作用下，在空氣的流速和粘性影響下使結(jié)構(gòu)尾部產(chǎn)生流體旋渦脫落。風(fēng)速達(dá)到某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)限制地增大將導(dǎo)致空氣動(dòng)力失穩(wěn)。

2.3建筑體型與風(fēng)作用

不同體型的高層建筑及布局方式對(duì)氣流的阻擋，將影響到風(fēng)的流向、流速和流場(chǎng)，從而又影響著建筑的風(fēng)荷載。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)使體型組合合理，從而減小風(fēng)效應(yīng)的不良影響。

2.4高層建筑體型設(shè)計(jì)方法

建筑體型設(shè)計(jì)可從平面形狀和豎向型體兩方面考慮，同時(shí)考慮平面與豎向的組合關(guān)系，通過(guò)合理的建筑體型有效減小風(fēng)荷載對(duì)建筑的不利影響：

2.4.1平面設(shè)計(jì)

（1）高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)的優(yōu)選平面為流線形平面。

（2）正多邊平面可為高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)的常用平面。對(duì)于平面轉(zhuǎn)角尤其是具有銳角的三角形時(shí)，可采用切角處理以減小應(yīng)力集中現(xiàn)象和角落效應(yīng)。

（3）對(duì)于復(fù)雜平面來(lái)說(shuō)，此時(shí)，平面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是結(jié)合風(fēng)向控制平面突出長(zhǎng)度并選擇有利于減小體型系數(shù)的朝向。

2.4.2型體設(shè)計(jì)

（1）選擇錐狀型體，同時(shí)，高層建筑外柱傾斜可以增大抗推剛度，從而產(chǎn)生反向水平分力，可使側(cè)移減少10%-50%。

（2）高層建筑的長(zhǎng)度L、寬度B、高度H之間有合理的比例：H/B宜為3～4不大于6，L/B宜為2～3，不大于4。

2.4.3剛度設(shè)計(jì)

（1）高層建筑的剛度宜為下大上小的漸變分布，可以通過(guò)內(nèi)部抗側(cè)結(jié)構(gòu)的剛度分布和建筑體型來(lái)實(shí)現(xiàn)。臺(tái)體或錐體的體型所提供的剛度分布自身就滿(mǎn)足要求。而柱體建筑由于體型分布均勻，可通過(guò)改變內(nèi)部抗側(cè)構(gòu)件的截面尺寸來(lái)滿(mǎn)足要求。

（2）并聯(lián)高層樓群可將單體高層建筑頂部連為并聯(lián)高樓群，其頂點(diǎn)的側(cè)移大約可減少到獨(dú)立懸臂結(jié)構(gòu)的1/4。

2.4.4泄風(fēng)設(shè)計(jì)

高度和長(zhǎng)度都較大的建筑，尤其是弧形或折線形平面且凹向迎風(fēng)時(shí)，極有可能發(fā)生流體旋渦脫落的現(xiàn)象?？衫迷O(shè)備層或結(jié)合中庭透空進(jìn)行樓身泄風(fēng)，在樓身的合理高度位置增設(shè)泄風(fēng)開(kāi)口。也可在高層底部設(shè)置裙房或挑棚等，減弱下沉渦流對(duì)地面的不利影響。同時(shí)可以利用高層建筑泄風(fēng)開(kāi)口或建筑群間各種局部強(qiáng)風(fēng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，變不利為有利。

3.結(jié)語(yǔ)

風(fēng)荷載對(duì)于高層建筑或結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有著重要影響。（下轉(zhuǎn)第178頁(yè)）（上接第98頁(yè)）同時(shí)，風(fēng)荷載的作用與高層建筑的體型緊密相連，通過(guò)科學(xué)合理的建筑體型選擇與設(shè)計(jì)，不僅能使高層建筑結(jié)構(gòu)更加安全可靠，而且能極大的改善建筑自身及周邊的環(huán)境。當(dāng)前我國(guó)對(duì)于高層建筑體型系數(shù)的研究，無(wú)論是體型類(lèi)別或是試驗(yàn)的細(xì)致程度，與高層建筑的快速發(fā)展都有差距。我國(guó)的風(fēng)荷載規(guī)范與先進(jìn)國(guó)家相比還存在差距，還有許多研究和應(yīng)用的問(wèn)題值得關(guān)注。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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