高层建筑结构抗风设计浅析

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：基于性能的结构抗风设计理论；设计风压等级；结构风振性能水准；

中图分类号：TU355 文献标识码：A

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1 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。

1.1 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。

1.2 结构风振性能水准

1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 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。

1.3 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。

1.4 结构抗风计算

1.4.1 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。

1.4.2 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。

1.5 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 风荷载对结构的影响

2.1 风对建筑结构的作用及结构的风效应

风对建筑物的作用有以下特点：频繁且持续时间长；随机性大，分布不均匀；与建筑物的几何外形直接相关；风场分布受周围环境的影响很大。

建筑结构的风效应包括：

(1)平均风静力效应：计算出风荷载后来分析结构的内力、变形等，并分析其稳定性。

(2)顺风向的风振响应：结构越柔，基本周期越长，顺风向动力响应就越大。

(3)横向风的风振响应：尾部激励引起的结构横风向振动和横风向风紊流引起的结构横向风振动。

(4)动力风荷载效应：由弯曲或扭转单独为主产生的失稳称为驰振；弯扭耦合产生的失稳称为颤振。

2.2 结构在风荷载下的破坏形式

高层建筑在风荷载下的几种主要破坏形式有：结构开裂或损坏，如位移过大引起框架、承重墙裂缝或结构主筋屈服；层间位移引起非承重墙开裂；局部风压过大引起玻璃、维护结构破坏；建筑物频繁、大幅度摆动使居住者感到不适；长期的风致使振动引起结构疲劳，导致破坏等。

2.3 高层建筑结构抗风加固的方法

2.3.1 增大截面法。增大构件的截面面积，提高承载能力及截面刚度，改变自振频率，减小结构的动力风荷载效应。多用于加固结构中的梁、板、柱和钢结构中的柱及屋架以及砖墙、砖柱等。此法会减小使用空间，增加结构自重。

2.3.2 外包钢加固法。在结构构件四周包以型钢进行加固，分干式外包钢和湿式外包钢两种形式。在保持原构件截面尺寸的同时提高构件承载力、延性和刚度，适用于混凝土柱、梁、屋架和砖窗间墙以及烟囱等结构构件的加固。但用钢量较大、维修费用较高。

2.3.3 预应力加固法。外加预应力钢拉杆对结构进行加固。在几乎不改变使用空间的条件下，提高构件的承载力。广泛用于受弯构件以及混凝土柱、钢梁及钢屋架的加固。加固效果好而且经济，很有发展前景；不足的是增加了施加预应力的工序和设备。

2.3.4 改变受力体系加固法。增设支点或采用托梁拔柱的办法改变结构的受力体系。大幅度提高结构构件的承载力，减小挠度、裂缝宽度。多用于大跨度结构。

2.3.5 外部粘钢加固法。用胶粘剂在构件外部粘贴钢板。施工简易周期短，加固后几乎不改变构件的外形和使用空间，大大提高构件的承载力和正常使用阶段的性能。但是对施工工艺要求较高，一般应由专业队伍施工。

3 高层建筑结构抗风设计中存在的问题

3.1 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。

3.2 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30-100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。

3.3 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0.28m/s2；公寓建筑0.20m/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0.28m/s2和0.20m/s2，不够精确。

3.4 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。

4 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].工程建设管理.

[2]周云，汪大洋，陈小兵.基于性能的结构抗风设计理论框架.TU973+.23.

[3]徐培福，王翠坤，肖从真.中国高层结构发展与展望[J].建筑结构，2009.9.

[4]杨佳锦.浅析高层建筑的形体造型设计与结构设计[J].中华建设.2008.6.