風荷載作用下結構的概念設計

【摘 要】提高建筑總體抗風能力的概念設計。從對風荷載的認識出發，分析風荷載的危害，總結了高層建筑抗風的概念設計。

【關鍵詞】高層建筑結構；風荷載；高寬比；側移；風洞實驗

1 引 言

高層建筑結構除了抵抗豎向荷載之外，風荷載和地震作用往往是結構設計的主要影響因素，它們主要是水平荷載。風作用出現的概率較大，而地震作用是偶然不經常的水平和豎向荷載，大風作用的時間較長，空氣流動形成的風遇到建筑物時，就在建筑物表面產生壓力和吸力，這種風力作用稱為風荷載。風的作用是不規則的，風壓隨著風速、風向的紊亂變化而不停地改變。實際上，風荷載是隨時間而波動的動力荷載。

2 風荷載對建筑的影響

2.1 風加速度產生的結構位移

風是紊亂的隨機現象，風對建筑物的作用十分復雜，規范中關于風荷載值的確定適用于大多數體形較規則、高度不太大的單幢高層建筑。高度300M以下的高層建筑可按照荷載規范規定的方法計算風荷載值，規范只要求用適當加大風荷載數值的方法考慮動力效應，風荷載仍然作為靜力荷載計算結構內力和位移，對于高度較大且比較柔軟的高層建筑，隨著高層建筑高度的不斷增加，風作用效應增大，位移增加最快（如圖1）因而引起的動力效應也不能忽視了。要考慮動力效應的影響，用經驗公式估算頂點加速度效應。由于我國高層建筑的高度逐漸增大，規范和規程要求少數建筑（高度大、對風荷載敏感或有特殊情況者）還要通過風洞實驗確定風荷載和風的動力反應，以補充規范的不足。

圖1 隨著高度增大，位移增加最快，彎矩次之

2.2 風作用下結構剛度影響舒適度

高層結構設計中人們要求在50年或100年重現期的風作用下結構仍然能正常使用，也就是要求結構處于彈性和小位移狀態，風可以有一定的傾角在+10度到-10度內變化，結構除了受水平力外還有上下作用的豎向力。抗風設計主要是基于承載力的設計，對于高度較高的高層建筑，還要保證2～10年重現期的風荷載作用下人處于舒適狀態，因而需要計算風作用下的加速度，當建筑物加速度小于0.005g時人是沒有感覺的，當大于0.015g時居住者就會感覺不舒適，在其間值時人輕微有感；按照10年一遇的風荷載取值計算或專門風洞實驗研究確定的結構頂點最大加速度不應超過限值，對住宅、公寓最大加速度不大于0.15m/s2。對辦公樓、旅館則不大于0.25 m/s2.，采用鋼筋混凝土結構的主要原因是為滿足人的舒適度要求，一般情況下混凝土結構阻尼比取0.02時才能滿足人們的舒適度要求。當大風引起建筑物的加速度較大時，容易引起維護結構的疲勞破壞，只能通過安裝阻尼器或增加縱向結構來提高其在水平力作用下的剛度。

3 概念設計

3.1 控制結構高寬比

高層建筑不僅需要較大的承載力，而且需要較大的剛度，使水平荷載產生的側向變形通過樓層層間最大水平位移與層高的比值限制在一定范圍內，因為過大的側向變形會使人不舒服，影響使用。另外過大的側向變形會使主體結構出現裂縫，甚至損壞。因此需要根據結構高度選擇合理的結構體系外，還要恰當地設計和選擇建筑物的平面形狀、剖面和總體型。高層建筑中控制側向位移常常成為結構設計的主要矛盾。而且隨著高度的增加傾覆力矩也將迅速增大。因此建造寬度很小的建筑物是不適宜的。一般應將結構的高寬比H/B控制在一定數值內比如剪力墻最大高寬比在5～7，抗震設防烈度9度時最大高寬比為4。

當結構高寬比較大、結構頂點風速大于臨界風速時，可能引起較明顯的結構橫風向振動，甚至出現橫風向振動效應大于順風向作用效應的情況。結構橫風向振動問題比較復雜，與結構的平面形狀、豎向體型、高寬比、剛度、自振周期和風速都有一定關系。對抗風有利的平面形狀是簡單規則的凸平面，如圓形、正多邊形，橢圓形、鼓形等平面。對抗風不利的平面是有較多凹凸的復雜形狀平面，如V形、Y形、H形、弧形等平面。當結構體型復雜時，宜通過空氣彈性模型的風洞試驗確定橫風向振動的等效風荷載；

3.2 風洞實驗檢測復雜建筑風荷載

當房屋高度大于200m或有下列情況之一時，宜進行風洞實驗判斷確定建筑物的風荷載：

a) 平面形狀或立面形狀復雜；

b) 立面開洞或連體建筑；

c) 周圍地形和環境較復雜。

風荷載的影響因素復雜，需要研究的問題很多，而且規范條文也難以概括，風洞試驗是一種有效的測量大氣邊界層范圍內風對建筑物作用和獲得風動力反應的手段。風洞試驗可以測得較高高層造成的較強的地面風以及多個高層建筑之間因群體效應造成的風通道的有效數值。

國內外對對高層建筑進行的一些風洞試驗得到的風荷載沿建筑物高度的分布規律與規范給出的分布規律往往有所不同，在建筑物的2/3～3/4高度以上，風壓力可能減小，由此計算風荷載作用下的側移和內力都會減小，這將大大影響設計的結果。另外通過研究和對一些超高層建筑物頂部實測風速的研究結論是建筑物頂部風速小于規范給定值。

3.3 群高層建筑的風干擾

此外對城市中成片地興建高層建筑，使建筑物之間風的相互干擾問題日漸突出。尤其是高層建筑群，當房屋相互間距較近時，由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風壓會顯著增大，設計時應予注意。

4 結 論

高層建筑在風荷載下設計時應注意建筑物自身的高寬比、采用合理的平面及規則的立面形狀、控制水平荷載作用下的側移以及為減小裙樓效應而采用合理的樓間距。

參考文獻：

[1] 包世華.新編高層建筑結構[M].北京：中國水利水電出版社，2003年

[2] GB50009-2001.建筑結構荷載規范[S] .2002年