高層建筑結構抗風設計淺析

朱靜萌

（重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

重慶平地少，山坡多的地貌特征決定了重慶蓋房子只能向高空發(fā)展；另外，因人口密度大，用地緊張，為了節(jié)約土地資源，房子也越來越高。俗話說“樹大招風”，高層結構正是如此。

1 高層建筑結構抗風設計理論

高層建筑高寬比大，抗側剛度??；所承擔的水平荷載除地震作用外，主要為風荷載。相比地震作用，風載作用極其頻繁。因此，對高層結構而言，風荷載是一種重要的設計荷載，甚至起決定作用。

1.1 基于性能的結構抗風設計理論

基于性能的結構抗風設計理論的目的是在不同強度水平風振作用下，有效地控制建筑結構的安全、舒適度，明確的不同性能水準，從使建筑物在整個生命周期內，在遭受可能發(fā)生的風振作用下，總體費用達到最小的目標。

與傳統(tǒng)的抗風設計不同，該理論是由業(yè)主先給出所期望的結構抗風性能水準，工程師在該要求下，采用與國家規(guī)范不相抵觸的結果來完成設計。

1.2 結構風振性能水準

1.2.1 風振系數(shù)。風振系數(shù)是我國現(xiàn)行荷載規(guī)范的一個重要系數(shù)，該系數(shù)的值對風載值有較大的影響。

1.2.2 人體舒適度。在側向力作用下，高層結構發(fā)生振動，當振動達到某一限值時，人們開始有某種不舒適的感覺。人體舒適度可分為無振感、輕微振感、中等振感、煩惱、非常煩惱和無法忍受六個等級。

1.2.3 結構風振性能水準。性能水準是針對所設計的建筑物，在可能遇到的特定風振作用下所規(guī)定的最大容許舒適度或最大容許破壞。該指標應從舒適度和變形兩個方面綜合確定。

1.3 結構性能目標

性能目標是指對所設計的建筑物在設計風壓等級下所要求達到的性能水準的總和。需綜合建筑物的使用要求、功能要求的重要性、經(jīng)濟性等諸多因素來考慮。

1.4 結構抗風計算

1.4.1 理論計算。計算分析首先要在分析模型中考慮結構的線性與非線性恢復力特性；其次，選取合理的計算方法對有效的模擬風場并進行風振的動力時程分析；再次，根據(jù)不同的性能目標選取合理、快捷的分析方法；最后，發(fā)展簡單實用的計算方法，減小計算量，加強前后處理軟件程序的開發(fā)和應用。

1.4.2 風洞試驗。風洞試驗是一種測量大氣邊界層內風對建筑物作用大小的有效手段。高樓可能造成很強的地面風，對地面造成很大的影響；當附近還有其他高層建筑時，群體效應對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害，這些都可以通過風洞試驗進行分析。

1.5 結構抗風性能的安全評價與社會經(jīng)濟評價

完成抗風分析之后，必須對結構的抗風舒適性與安全性進行評價，以證實符合所選定的性能目標。結構抗風反應量化參數(shù)必須符合性能目標與相關準則，滿足業(yè)主和社會所要求的強度、剛度、舒適度等性能要求以及經(jīng)濟指標。

2 風荷載對結構的影響

2.1 風對建筑結構的作用及結構的風效應

風對建筑物的作用有以下特點：頻繁且持續(xù)時間長；隨機性大，分布不均勻；與建筑物的幾何外形直接相關；風場分布受周圍環(huán)境的影響很大。

建筑結構的風效應包括：

(1)平均風靜力效應：計算出風荷載后來分析結構的內力、變形等，并分析其穩(wěn)定性。

(2)順風向的風振響應：結構越柔，基本周期越長，順風向動力響應就越大。

(3)橫向風的風振響應：尾部激勵引起的結構橫風向振動和橫風向風紊流引起的結構橫向風振動。

(4)動力風荷載效應：由彎曲或扭轉單獨為主產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為馳振；彎扭耦合產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為顫振。

2.2 結構在風荷載下的破壞形式

高層建筑在風荷載下的幾種主要破壞形式有：結構開裂或損壞，如位移過大引起框架、承重墻裂縫或結構主筋屈服；層間位移引起非承重墻開裂；局部風壓過大引起玻璃、維護結構破壞；建筑物頻繁、大幅度擺動使居住者感到不適；長期的風致使振動引起結構疲勞，導致破壞等。

2.3 高層建筑結構抗風加固的方法

2.3.1 增大截面法。增大構件的截面面積，提高承載能力及截面剛度，改變自振頻率，減小結構的動力風荷載效應。多用于加固結構中的梁、板、柱和鋼結構中的柱及屋架以及磚墻、磚柱等。此法會減小使用空間，增加結構自重。

2.3.2 外包鋼加固法。在結構構件四周包以型鋼進行加固，分干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。在保持原構件截面尺寸的同時提高構件承載力、延性和剛度，適用于混凝土柱、梁、屋架和磚窗間墻以及煙囪等結構構件的加固。但用鋼量較大、維修費用較高。

2.3.3 預應力加固法。外加預應力鋼拉桿對結構進行加固。在幾乎不改變使用空間的條件下，提高構件的承載力。廣泛用于受彎構件以及混凝土柱、鋼梁及鋼屋架的加固。加固效果好而且經(jīng)濟，很有發(fā)展前景；不足的是增加了施加預應力的工序和設備。

2.3.4 改變受力體系加固法。增設支點或采用托梁拔柱的辦法改變結構的受力體系。大幅度提高結構構件的承載力，減小撓度、裂縫寬度。多用于大跨度結構。

2.3.5 外部粘鋼加固法。用膠粘劑在構件外部粘貼鋼板。施工簡易周期短，加固后幾乎不改變構件的外形和使用空間，大大提高構件的承載力和正常使用階段的性能。但是對施工工藝要求較高，一般應由專業(yè)隊伍施工。

3 高層建筑結構抗風設計中存在的問題

3.1 設計風壓等級的確立

設計風壓等級的建立需要考慮多種因素的影響。目前，我國還沒有對結構設計風壓等級給出明確定義，具體的劃分原則和范圍界定還需進一步的研究探討。

3.2 風振系數(shù)的確定

我國目前確定結構風震系數(shù)時采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所獲取的阻尼比實測值確定的，而抗風設計所取的風載是30-100年一遇的大風荷載。此時，結構的振動將不是微小振動，而是有較大位移的振動，而大位移振動與微振的結構阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，將使風振系數(shù)減小。因此目前我國進行高層建筑鋼結構抗風設計所取的風振系數(shù)可能偏大。

3.3 風振舒適度的考慮

《高規(guī)》中規(guī)定重現(xiàn)期為10年的最大加速度限值為：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文認為存在如下有待完善之處：首先，重現(xiàn)期取為10年已不能滿足要求?！督ㄖ奢d設計規(guī)范》中對一般結構基本風壓重現(xiàn)期已規(guī)定為50年，且對特殊結構還要進行重現(xiàn)期為100年的舒適度驗算；其次，該規(guī)定只將民用建筑分為公共建筑和公寓建筑兩類，不夠具體；再次，將峰值加速度限值僅定為0.28m/s2和0.20m/s2，不夠精確。

3.4 層間位移的限值

層間位移的取值是根據(jù)業(yè)主所要求的性能水平，在相應的層間變形取值范圍內由設計方和業(yè)主共同確定。然而，很多情況下即使層間位移滿足限值要求，也可能因個別構件出現(xiàn)過大塑性變形而產(chǎn)生局部破壞，所以對關鍵受力構件的局部變形能力還應進行單獨驗算，控制層間延性比，確保結構的屈服機制趨于合理。

4 高層建筑抗風設計發(fā)展前景

隨著高層建筑高度的增加，結構對風荷載更加敏感，在不少地區(qū)，抗風研究和設計已成為控制結構安全性能和使用性能的關鍵因素。此外，國際工程界對超高層建筑上的風速、風壓測試工作也非常重視，在某些世界著名的超高層建筑上架設有風速儀、測振儀，進行長期的測風測振工作，積累了一定的數(shù)據(jù)。我國在在基于性能的抗風設計方面的研究尚屬空白，迫切需要加快發(fā)展。

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