高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)淺析

朱靜萌

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)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(fēng)”，高層結(jié)構(gòu)正是如此。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論

高層建筑高寬比大，抗側(cè)剛度小；所承擔(dān)的水平荷載除地震作用外，主要為風(fēng)荷載。相比地震作用，風(fēng)載作用極其頻繁。因此，對(duì)高層結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)荷載是一種重要的設(shè)計(jì)荷載，甚至起決定作用。

1.1 基于性能的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論

基于性能的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的目的是在不同強(qiáng)度水平風(fēng)振作用下，有效地控制建筑結(jié)構(gòu)的安全、舒適度，明確的不同性能水準(zhǔn)，從使建筑物在整個(gè)生命周期內(nèi)，在遭受可能發(fā)生的風(fēng)振作用下，總體費(fèi)用達(dá)到最小的目標(biāo)。

與傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)不同，該理論是由業(yè)主先給出所期望的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能水準(zhǔn)，工程師在該要求下，采用與國(guó)家規(guī)范不相抵觸的結(jié)果來完成設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)振性能水準(zhǔn)

1.2.1 風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)是我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范的一個(gè)重要系數(shù)，該系數(shù)的值對(duì)風(fēng)載值有較大的影響。

1.2.2 人體舒適度。在側(cè)向力作用下，高層結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到某一限值時(shí)，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(gè)等級(jí)。

1.2.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)振性能水準(zhǔn)。性能水準(zhǔn)是針對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物，在可能遇到的特定風(fēng)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(biāo)應(yīng)從舒適度和變形兩個(gè)方面綜合確定。

1.3 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

性能目標(biāo)是指對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物在設(shè)計(jì)風(fēng)壓等級(jí)下所要求達(dá)到的性能水準(zhǔn)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(jì)性等諸多因素來考慮。

1.4 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算

1.4.1 理論計(jì)算。計(jì)算分析首先要在分析模型中考慮結(jié)構(gòu)的線性與非線性恢復(fù)力特性；其次，選取合理的計(jì)算方法對(duì)有效的模擬風(fēng)場(chǎng)并進(jìn)行風(fēng)振的動(dòng)力時(shí)程分析；再次，根據(jù)不同的性能目標(biāo)選取合理、快捷的分析方法；最后，發(fā)展簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算方法，減小計(jì)算量，加強(qiáng)前后處理軟件程序的開發(fā)和應(yīng)用。

1.4.2 風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)是一種測(cè)量大氣邊界層內(nèi)風(fēng)對(duì)建筑物作用大小的有效手段。高樓可能造成很強(qiáng)的地面風(fēng)，對(duì)地面造成很大的影響；當(dāng)附近還有其他高層建筑時(shí)，群體效應(yīng)對(duì)建筑物和建筑物之間的通道也會(huì)造成危害，這些都可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1.5 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的安全評(píng)價(jià)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

完成抗風(fēng)分析之后，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)舒適性與安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以證實(shí)符合所選定的性能目標(biāo)。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)反應(yīng)量化參數(shù)必須符合性能目標(biāo)與相關(guān)準(zhǔn)則，滿足業(yè)主和社會(huì)所要求的強(qiáng)度、剛度、舒適度等性能要求以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

2.1 風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用及結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)

風(fēng)對(duì)建筑物的作用有以下特點(diǎn)：頻繁且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；隨機(jī)性大，分布不均勻；與建筑物的幾何外形直接相關(guān)；風(fēng)場(chǎng)分布受周圍環(huán)境的影響很大。

建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)包括：

(1)平均風(fēng)靜力效應(yīng)：計(jì)算出風(fēng)荷載后來分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形等，并分析其穩(wěn)定性。

(2)順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)：結(jié)構(gòu)越柔，基本周期越長(zhǎng)，順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)就越大。

(3)橫向風(fēng)的風(fēng)振響應(yīng)：尾部激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)和橫風(fēng)向風(fēng)紊流引起的結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)振動(dòng)。

(4)動(dòng)力風(fēng)荷載效應(yīng)：由彎曲或扭轉(zhuǎn)單獨(dú)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(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的破壞形式

高層建筑在風(fēng)荷載下的幾種主要破壞形式有：結(jié)構(gòu)開裂或損壞，如位移過大引起框架、承重墻裂縫或結(jié)構(gòu)主筋屈服；層間位移引起非承重墻開裂；局部風(fēng)壓過大引起玻璃、維護(hù)結(jié)構(gòu)破壞；建筑物頻繁、大幅度擺動(dòng)使居住者感到不適；長(zhǎng)期的風(fēng)致使振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致破壞等。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)加固的方法

2.3.1 增大截面法。增大構(gòu)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(jié)構(gòu)的動(dòng)力風(fēng)荷載效應(yīng)。多用于加固結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱和鋼結(jié)構(gòu)中的柱及屋架以及磚墻、磚柱等。此法會(huì)減小使用空間，增加結(jié)構(gòu)自重。

2.3.2 外包鋼加固法。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周包以型鋼進(jìn)行加固，分干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。在保持原構(gòu)件截面尺寸的同時(shí)提高構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固。但用鋼量較大、維修費(fèi)用較高。

2.3.3 預(yù)應(yīng)力加固法。外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。在幾乎不改變使用空間的條件下，提高構(gòu)件的承載力。廣泛用于受彎構(gòu)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(jì)，很有發(fā)展前景；不足的是增加了施加預(yù)應(yīng)力的工序和設(shè)備。

2.3.4 改變受力體系加固法。增設(shè)支點(diǎn)或采用托梁拔柱的辦法改變結(jié)構(gòu)的受力體系。大幅度提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，減小撓度、裂縫寬度。多用于大跨度結(jié)構(gòu)。

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

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中存在的問題

3.1 設(shè)計(jì)風(fēng)壓等級(jí)的確立

設(shè)計(jì)風(fēng)壓等級(jí)的建立需要考慮多種因素的影響。目前，我國(guó)還沒有對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)壓等級(jí)給出明確定義，具體的劃分原則和范圍界定還需進(jìn)一步的研究探討。

3.2 風(fēng)振系數(shù)的確定

我國(guó)目前確定結(jié)構(gòu)風(fēng)震系數(shù)時(shí)采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所獲取的阻尼比實(shí)測(cè)值確定的，而抗風(fēng)設(shè)計(jì)所取的風(fēng)載是30-100年一遇的大風(fēng)荷載。此時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)將不是微小振動(dòng)，而是有較大位移的振動(dòng)，而大位移振動(dòng)與微振的結(jié)構(gòu)阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，將使風(fēng)振系數(shù)減小。因此目前我國(guó)進(jìn)行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所取的風(fēng)振系數(shù)可能偏大。

3.3 風(fēng)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(rèn)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。《建筑荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)一般結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓重現(xiàn)期已規(guī)定為50年，且對(duì)特殊結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行重現(xiàn)期為100年的舒適度驗(yàn)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(yīng)的層間變形取值范圍內(nèi)由設(shè)計(jì)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(gè)別構(gòu)件出現(xiàn)過大塑性變形而產(chǎn)生局部破壞，所以對(duì)關(guān)鍵受力構(gòu)件的局部變形能力還應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算，控制層間延性比，確保結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制趨于合理。

4 高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)發(fā)展前景

隨著高層建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載更加敏感，在不少地區(qū)，抗風(fēng)研究和設(shè)計(jì)已成為控制結(jié)構(gòu)安全性能和使用性能的關(guān)鍵因素。此外，國(guó)際工程界對(duì)超高層建筑上的風(fēng)速、風(fēng)壓測(cè)試工作也非常重視，在某些世界著名的超高層建筑上架設(shè)有風(fēng)速儀、測(cè)振儀，進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)風(fēng)測(cè)振工作，積累了一定的數(shù)據(jù)。我國(guó)在在基于性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面的研究尚屬空白，迫切需要加快發(fā)展。

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