關于高層建筑結構抗風可靠性的研究

李智平　呂恒

摘 要：在高層建筑結構的總荷載效應中風荷載效應占有較大比重，且從某種程度上而言具有決定性作用。當前施工技術與現代材料學發展迅速，新型建筑結構得以涌現，且一般柔性較好，具有阻尼小與重量輕的特點。這種結構對于風有較強敏感性，因此當前人們對于高層建筑結構的安全性、適用性以及可靠性要求更高。因此需開展高層建筑結構抗風可靠性研究，以提升設計者對于風影響力度的重視。

關鍵詞：高層建筑 結構 抗風 可靠性

中圖分類號：TU208.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0071-01

結構對于人類而言是基于自身生存滿足、工農業生產與文化活動所需出現的構筑物或者建筑物。結構工程存在歷史較長，其發展密切關聯于人類文明，且可將時代科技水平體現出來。隨著社會經濟的快速發展與科學技術的不斷提升，土地資源逐漸稀缺且城市人口愈發密集，同時商業競爭也逐漸激烈，由于出現了高層建筑，可提升土地利用率并對城市人口居住問題予以有效解決。荷載可直接影響結構的實用性與安全性，而風荷載在高層結構中存在瞬時與累積作用，對于結構可靠性有著影響。

1 風荷載對高層建筑結構產生的作用與特點

1.1 風荷載對高層建筑結構產生的作用

高層建筑結構若長時間受到風力作用會誘發結構疲勞現象，導致建筑物搖晃，增強建筑物使用者的不適感；風力作用會導致高層建筑結構出現規模較大的結構開裂或者殘余變形現象；強風會破壞高層建筑主體或者裝修，不僅損失建設方效益也為使用者帶來不便。

風主要產生于地球大氣層中空氣的流動。高層建筑結構受到風力作用后會出現結構反應。盡管風荷載對高層建筑結構造成的影響可能比地震要小，但是由于風荷載出現頻率要高于地震，故而高層建筑承受風荷載后其災害要多于地震災害。雖然迄今為止世界上尚未出現由于風力作用導致高層建筑結構被嚴重破壞或者出現倒塌事件，但是部分建筑物經受臺風侵襲后其殘余變形通常比較明顯。據不完全統計后得知，全球風災損失要高于地震損失，因此對于高層建筑結構而言一定要做好抗風設計工作，以增強抗風可靠性。

1.2 風荷載對高層建筑結構產生作用的特點

前文已經提及風的來源，且高層建筑結構承受風力作用后會出現雙重影響，其一會導致高層建筑出現風振（風力振動），其二則會在高層建筑上出現一個風壓力，且具有較高穩定性。由此可知，高層建筑承受風力作用后不僅有靜力影響還有動力影響，其特點具體如下。

（1）由于氣象觀測時間較長，故而在對高層建筑風力大小予以評估時其可靠性要遠高于地震，故而高層建筑結構在開展抗風設計時可靠性也較高。

（2）相較于地震作用風力作用有更長的持續時間，且高層建筑在生存時間內其較大風力出現機會也要多一些。

（3）高層建筑的風荷載分布具有不均勻性，在角區內收或者立面等局部區域風力較大。

（4）高層建筑周邊環境會對風力產生影響，一般而言若高層建筑處于高層建筑群中，則經常存在受力不均現象，故而要增加安全系數。

（5）風力作用直接受到高層建筑結構外形的影響，一般而言若建筑物為圓形或者正多邊形則承受風力較小，便于開展抗風設計。

2 高層建筑結構的抗風可靠性設計

在高層建筑結構中風荷載屬于側向荷載之一，且在沿海地區或者非地震區結構設計通常將風荷載當做控制荷載。由于風會破壞建筑物，故而在開展結構抗風設計時一定要保證建筑物在使用時不會出現破壞現象，可從以下幾點開展。

2.1 必須滿足強度設計要求

高層建筑結構在開展抗風設計時一定要與強度設計要求充分滿足，即結構構件遭受風荷載與其他荷載的協同作用時其強度要滿足設計要求，確保建筑物遭受風力作用時不會出現殘余變形、坍塌事件，確保結構的安全性與可靠性。

2.2 必須與剛度設計要求相滿足

高層建筑結構在開展抗風設計時要充分與剛度設計要求相滿足，即結構位移及相對位移需與規范要求相滿足，避免高層建筑在遭受風力侵襲時出現非結構構件或者建筑裝飾移位現象，同時還要避免隔墻開裂，導致建筑物功能受損。

2.3 必須與舒適度設計要求相滿足

高層建筑結構在開展抗風設計時要充分與舒適度設計要求相滿足，這樣可避免高層建筑遭受風力侵襲時出現過度搖晃或者擺動，使居住者產生不適感。振動加速度、振動頻率以及持續時間是導致人體出現不適感的主要因素，一般可應用對結構振動加速度予以限制的方法開展抗風設計，以與舒適度設計要求相符。

2.4 必須與疲勞破壞設計要求相滿足

高層建筑結構在開展抗風設計時一定要與疲勞破壞設計要求相滿足，風振會導致建筑物構件或者結構出現疲勞破壞，而這又是高周期疲勞累積損傷的后果。

2.5 開展結構抗風計算并進行安全評價

計算結構抗風先要開展理論計算，分析有效模擬風場的風振方向動力時程，結合高層建筑具體要求選取最佳計算方法，要確保其快捷與簡便性。風洞試驗，可有效測量建筑物承受大氣邊界層內風的作用大小。最后開展安全評價，主要評價高層建筑結構的抗風安全性與舒適性。

2.6 減輕自重，確保結構體系的合理性

在高層建筑結構抗風設計中需使用性能較好且輕質高強材料，既可降低重力荷載，還能減少工程成本。基于建筑造型與空間設計優良的基礎上對結構體系予以構建并確保其合理性。結構體系隨著建筑物高度的變化也會存在差異，結構體系的合理性不僅可提升建筑物抗側力，還能提升其經濟效益。

2.7 抗風加固

對高層建筑結構開展抗風加固方法較多，包括改變受力體系、預應力、外包鋼、增加截面、外部粘鋼等加固方法。上述方法圍繞點為建筑物總體承載的提升，并注重對結構構件承載力與穩定性予以加強。此外，為防止風力損壞裝飾構件，例如女兒墻、玻璃以及外墻等，也需合理設計上述構件。

3 結語

風荷載在柔性結構中屬于主要設計荷載，有時甚至會有決定性作用。在工程結構中一定要做好抗風設計工作并確保其可靠性。由于結構與風荷載具有不確定的設計參數，故而基于概率角度對高層建筑結構風荷載動力與靜力響應予以研究屬于抗風設計的主要手段。該文提出了風荷載對高層建筑結構的主要作用與特點，而后從七個方面提出做好高層建筑結構抗風可靠性設計的關鍵點，以期提升高層建筑的安全性。

參考文獻

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