建筑結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則與方法

摘要:建筑工程受到風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)的動力特性以及風(fēng)和結(jié)構(gòu)的相互作用的制約.本文闡述高層建筑受風(fēng)荷載的影響效應(yīng)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)中風(fēng)振系數(shù)、水平位移等參數(shù)的正確選取等問題，可為高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考，目前工程數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展已為抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究提供了有利保障。風(fēng)荷載是高層建筑所承受的主要側(cè)向荷載之一結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析包括風(fēng)荷載、內(nèi)力、位移、加速度等是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié).

關(guān)鍵詞:建筑工程;風(fēng)振系數(shù);水平位移;風(fēng)荷載

一、建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載與風(fēng)振系數(shù)分析

風(fēng)對建筑物的作用是不規(guī)則的，風(fēng)壓隨風(fēng)速、風(fēng)向的紊亂變化而不停地改變。通常把風(fēng)作用的平均值看成穩(wěn)定風(fēng)壓或平均風(fēng)壓，實(shí)際風(fēng)壓是在平均風(fēng)壓上下波動的。平均風(fēng)壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而波動風(fēng)壓使建筑物在該側(cè)移附近左右振動。對于高度較大，剛度較小的高層建筑，波動風(fēng)壓會產(chǎn)生不可忽略的動力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中必須考慮。目前采用加大風(fēng)荷載的辦法解決這個動力效應(yīng)問題，在風(fēng)壓值上乘以風(fēng)振系數(shù)。結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載可分為兩種成分:平均風(fēng)和脈動風(fēng)。對應(yīng)的，風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用也有靜力的平均風(fēng)作用和動力的脈動風(fēng)作用。平均風(fēng)的作用可用靜力方法計(jì)算，而脈動風(fēng)是隨機(jī)荷載，它引起結(jié)構(gòu)的振動，一般采用隨機(jī)振動理論對其振動進(jìn)行分析。

風(fēng)振系數(shù)是指結(jié)構(gòu)總響應(yīng)與平均風(fēng)壓引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值。對于風(fēng)振系數(shù)，高度小于30m的單層工業(yè)廠房仍可按以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不考慮風(fēng)振系數(shù)，陣風(fēng)系數(shù)是考慮到瞬時風(fēng)較平均風(fēng)大而乘的系數(shù)，一般是陣風(fēng)風(fēng)速與時距10min的平均風(fēng)速之間的比值。對于陣風(fēng)系數(shù)，現(xiàn)行規(guī)范提供的陣風(fēng)系數(shù)主要是對高層建筑的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)參考國外規(guī)范而加以制定的，但低矮房屋是否合適，仍需通過今后的設(shè)計(jì)和科研實(shí)踐給以完善。

風(fēng)荷載計(jì)算，是根據(jù)美國有關(guān)設(shè)計(jì)手冊中的試驗(yàn)資料確定，更能符合實(shí)際，風(fēng)荷載影響較大的結(jié)構(gòu)一般都要考慮風(fēng)振系數(shù)，具體如何取值只能參考以往的相關(guān)類似工程。對于屋蓋結(jié)構(gòu)(如大跨度的看臺)不應(yīng)當(dāng)成“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”而只考慮陣風(fēng)系數(shù)建筑水平位移觀測點(diǎn)的位置應(yīng)選在墻角、柱基及裂縫兩邊等處。標(biāo)志可采用墻上標(biāo)志，具體形式及其埋設(shè)應(yīng)根據(jù)點(diǎn)位條件和觀測要求確定。

二、建筑結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則

空氣的流動形成風(fēng)，風(fēng)作用在建筑物上，使建筑物受到雙重的作用:一方面風(fēng)對建筑物產(chǎn)生一個基本上比較穩(wěn)定的風(fēng)壓力;同時又使建筑物產(chǎn)生風(fēng)力振動(風(fēng)振)。因此風(fēng)力使建筑物既受到靜力作用，又受到動力作用。

(一)高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析

風(fēng)速在不同的地區(qū)是不一樣的。在沿海、山口等地方風(fēng)速大，在城市中心風(fēng)速會小一些。在我國的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中，已經(jīng)給出了各城市、地區(qū)設(shè)計(jì)用的基本風(fēng)壓，這個基本風(fēng)壓是以各地氣象臺站多年的氣象觀測資料為依據(jù)，取當(dāng)?shù)?0年一遇的、10m高度上的10min平均風(fēng)壓值來計(jì)算的。對于高層建筑物，風(fēng)荷載是主要荷載，宜采用50年一遇的風(fēng)力更為妥當(dāng)，所以，在高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用將荷載規(guī)范給出的基本風(fēng)壓值乘以系數(shù)1.1的值。

離地面越高，空氣流動受到地面摩擦影響越小，風(fēng)速越大，風(fēng)壓也越大，風(fēng)壓隨高度變化呈指數(shù)規(guī)律變化，增長程度與地面粗糙度有關(guān)。目前規(guī)范將地面粗糙程度分為三類:A類:海面;海島、海岸、湖岸、沙漠地區(qū);B類:田野、鄉(xiāng)村、丘陵、房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū);C類:有密集建筑群的大城市市區(qū)。

高層建筑主要位于B，C兩類地區(qū)。高層建筑主要位于B，C兩類地區(qū)。荷載規(guī)范給出的基本風(fēng)壓是10m高度上的，不同高度上的風(fēng)壓要乘以高度系數(shù)。風(fēng)壓在建筑物上的分布是非常復(fù)雜的，取決于其平面形狀、立面體型和高寬比。一般用體型系數(shù)來反映風(fēng)對建筑物的作用。通常，在建筑物的迎風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)壓力，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)吸力。這些風(fēng)壓力和風(fēng)吸力在建筑物表面的分布也是不均勻的，在迎風(fēng)面上沿中軸線風(fēng)壓值最大，在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面靠近角區(qū)風(fēng)吸力最大。

(二)高層建筑物抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則

在高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮下列問題:保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能可靠地承受風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力;結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度，控制高層建筑在水平荷載下的位移，保證良好的居住和工作條件;選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和建筑外形。采用較大的剛度可以減少風(fēng)振的影響;圓形、正多邊形平面可以減少風(fēng)壓的數(shù)值;盡量采用對稱平面形狀和對稱結(jié)構(gòu)布置，減少風(fēng)力偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響;外墻、玻璃、女兒墻及其他圍護(hù)構(gòu)件必須有足夠的強(qiáng)度并與主體結(jié)構(gòu)可靠地連接，防止局部損壞。

三、建筑結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)風(fēng)對建筑物造成的破壞來分析，我們的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求必須保證結(jié)構(gòu)在使用過程中不出現(xiàn)破壞等現(xiàn)象，主要涉及以下幾個方面:

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，也就是說結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在風(fēng)荷載和其他荷載共同作用下內(nèi)力必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。確保建筑物在風(fēng)力作用下不會產(chǎn)生倒塌、開裂和大的殘余變形等破壞現(xiàn)象，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足剛度設(shè)計(jì)要求，也就是說要使結(jié)構(gòu)的位移或者相對位移滿足有關(guān)的規(guī)范要求，以防止建筑物在風(fēng)力的作用下引起隔墻的開裂、建筑裝飾和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因位移過大而損壞。高層建筑的強(qiáng)度和剛度都可由結(jié)構(gòu)頂部水平位移或結(jié)構(gòu)層間相對水平位移來控制。對于不同的結(jié)構(gòu)和隔墻類型，其值差別也較大。頂部水平位移或結(jié)構(gòu)層間相對水平位移界限值分別由頂部位移與結(jié)構(gòu)高和層間相對位移與層高的比值來決定。

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足舒適度設(shè)計(jì)要求，以防止居住者和工作人員在風(fēng)力作用下引起的擺動造成的不舒適。影響人體感覺不舒適的主要因素有振動頻率、振動加速度和振動持續(xù)的時間。由于振動持續(xù)的時間取決于風(fēng)力作用的時間，結(jié)構(gòu)振動頻率的調(diào)整又十分困難，因此一般采用限制結(jié)構(gòu)振動加速度的方法來滿足舒適度的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)對人體振動的舒適界限標(biāo)準(zhǔn)可得到結(jié)構(gòu)舒適度的控制界限。當(dāng)然在具體選擇舒適度的控制界限時是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)層的不同使用功能來定。

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)滿足疲勞破壞設(shè)計(jì)要求，風(fēng)振引起高層建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞是高周疲勞累積損傷的結(jié)果。結(jié)構(gòu)或構(gòu)十的疲勞壽命由實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)分析得到的S-N曲線決定。S-N曲線的解析表達(dá)式為NSm=C，式中S為響應(yīng)水平，N為在響應(yīng)水平S下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件疲勞失效的循環(huán)次數(shù)，m、C為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

四、我國建筑結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)設(shè)計(jì)的發(fā)展

我國目前的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)、大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)等已達(dá)到或者已接近國際先進(jìn)水平。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國已成為建筑結(jié)構(gòu)和大跨度空間結(jié)構(gòu)的大國。在一些高層和超高層建筑的設(shè)計(jì)、建造過程中，我國的科研、設(shè)計(jì)和施工水平不斷提升。從單純的學(xué)習(xí)，到逐漸掌握再到創(chuàng)新，完成了很多有特色的工程。在高層建筑混合結(jié)構(gòu)這一符合中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展特色的領(lǐng)域取得了豐富的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

風(fēng)作用在建筑物上雖然沒有地震那么強(qiáng)烈，但由于風(fēng)的作用極為頻繁，實(shí)際上因風(fēng)對建筑物產(chǎn)生的災(zāi)害比地震災(zāi)害大得多。在以后的研究中要考慮到基本風(fēng)速(風(fēng)壓)的風(fēng)剖面的主要因素，然后分析隨機(jī)振動理論的風(fēng)振響應(yīng)方法，最后分析在風(fēng)荷載作用下的基底剪力、基底彎矩和頂點(diǎn)順風(fēng)向水平位移的響應(yīng)，并找到引起差異的原因。當(dāng)前，我國工程建設(shè)的規(guī)模巨大，我們應(yīng)抓住大規(guī)模工程建設(shè)的機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，加強(qiáng)研究，加快促進(jìn)我國由建筑結(jié)構(gòu)大國向強(qiáng)國發(fā)展。

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