淺談大跨度異型結構抗風性能研究

【摘要】隨著我國的經濟發展水平越來越高，建筑的種類也越來越多樣化，許多大跨度的異型建筑在現在城市里更是多見，那么在設計大跨度的異型結構的建筑時，如何考慮其結構的抗風性呢？本文根據對具體的大跨度異型結構風效應的分析對大跨度異型結構的抗風性能展開了研究。

【關鍵詞】大跨度異型結構；抗風；抗風性能

一、大跨度異型結構的抗風研究展開

由于形狀復雜，大跨空間結構風荷載的時空分布比其他大型結構復雜很多。Holmes于2004年指出，準定常假設即假設物體的振動相對平均風來說是緩慢的，一般不適用于大跨空間結構的動力風荷載。所以，大跨空間結構抗風研究作為一個新型的課題值得我們探討。空間結構抗風研究的重要問題主要是等效靜力風荷載的等效原則和求解方法。LRC法已被應用于求解結構的背景等效靜力風荷載分量，而振動慣性力則被建議用來計算共振等效靜力風荷載分量。利用模型現場測量和風洞試驗，已初步認識到低矮建筑的風荷載作用機理和破壞機理。

大跨度的異型結構風荷載和效應的數值模擬及土木工程數值風洞技術是結構風工程研究中具有戰略意義的發展方向。在諸多湍流模型中，大渦模擬是近年來計算風工程中最活躍的模型之一。Spalart1997于RA年提出分離渦模型，是LESNS模型和MTM模擬的合理綜合，計算量較小，而精度較高。特別需要提到，近年中離散渦數值計算方法在橋梁氣動彈性計算中已取得很大成功。流固耦合數值模擬是數值計算科學中最具挑戰性的問題之一。近來的研究表明，分區強耦合或弱耦合法較為成熟，計算量相對較小，結果精度較高，適用于風工程數值模擬。

結構的強風荷載或響應如超出允許值，則必須加以控制。人們通過風洞試驗，總結了控制橋梁和建筑風荷載及風振的被動氣動措施。主動氣動控制措施研究尚處在研究階段，通過風洞試驗和理論分析來研究可主動調節的氣動措施以提高橋梁的氣動穩定性。在進行阻尼器控制結構風致振動研究時，針對結構風振時結構的表觀阻尼和頻率發生變化這一特點，提出了MTMD方法、半主動控制系統和主動控制系統方法。

二、大跨度異型結構的抗風性能研究內容

國內外各種資料表明，迄今為止，研究的抗風性能有以下內容：

（1）風特性和結構響應的理論和方法研究。加強現場實測，獲得更為全面、準確的風特性資料，深人研究大跨度的異型結構 ，模型風洞試驗理論和方法，研究土木結構風荷載和響應機理；研究結構抗風設計的更為科學合理的方法及風荷載和風振控制方法。

（2）大跨度的異型結構風荷載和效應的數值模擬及數值風洞。研究結構風荷載數值模擬方法，研究結構氣動彈性響應的數值模擬方法，并將這些有效方法應用于結構風效應機理的研究，研究臺風分布和城市風特性的數值模擬方法，研究風環境（包括城市小區風環境、行人高度風環境及建筑物內部風環境等）的數值模擬方法。

（3）風災評估方法及評估系統。研究城市風災危險性區劃方法和風災防御標準。結合城市人口、經濟和基礎設施等地理信息系統（GIS）和數據庫，研究城市風災危險性區劃方法，研究城市風災害損失的評估方法，研究建立風災數據庫的方法，研究城市風災的防御標準。

（4）風災風險分析理論和方法研究。研究風災風險源的識別方法和靈敏度分析方法，研究風災風險分析和評估的概率方法和模糊方法及其他新方法，研究結構風險管理決策系統，研究風災風險的實際應用

三、在抗風設計中如何降低風災的破壞

風災發生的頻率很高、次生的災難很大、帶來的影響范圍非常廣泛，國內外統計資料表明，風災造成的損失為各種自然災害之首。

根據近年來風災破壞的經驗教訓和理論認識，再結合上述對大跨度異型結構在建筑結構、施工建造方面的問題分析，總結出以下一些抗風概念設計方法，以供大跨度異型結構在抗風設計時予以考慮：

（1）場地選擇

應當選擇對建筑抗風有利的場地和環境。建筑風水理論，以建筑風環境的選擇擺在首位，以“藏風聚氣”作為選擇建筑風環境的原則，同時強調避開不利的風環境，當今的建筑設計，往往將建筑的防風問題完全歸結于結構的抗風設計，較少考慮尋求或改善建筑風環境，常常忽略局部地形條件對風壓的影響，這一問題應引起足夠重視。

（2）建筑體形

應當選擇對抗風有利的建筑體形。建筑體型對其表面風荷載有很大的影響，因此優化建筑體形以增強建筑物的防風減災能力應作為抗風建筑設計的先決條件。除屋面形式外，房屋的長寬比、高寬比、層高和總高度等對結構的風荷載或結構構件的抗風承載能力也有較大的影響，大跨屋蓋的懸挑長度、懸挑部分水平傾角、前緣外形等，對前緣局部風壓影響更是顯著，應進行合理優化。

（3）建筑布局

應當選擇對抗風有利的建筑布局。建筑物間的相互氣動干擾是一個相當復雜的問題，它不但與建筑物間的相對位置，建筑物的密集程度有關，還與相鄰建筑物的形狀有關。周圍建筑物由于其對所考慮屋面的環境風場的影響，也必然引起屋面風荷載的變化。對于這種影響，風洞模擬試驗是較好的研究手段。加強對房屋建設的統一規劃，采取聯片建造的方法，可以大大提高房屋的抗風性能。

（4）結構體系

應當選擇對抗風有利的建筑結構體系。抗風結構體系的選擇是抗風設計應考慮的最為關鍵的問題。在選擇結構體系時，應考慮各方面的要求。

（5）非結構構件

應當足夠重視非結構構件的抗風問題。從強風災害來看，如果非結構構件處理的不好，可能會倒塌傷人、砸壞設備、損壞主體結構。在進行建筑物非結構構件設計時，局部風壓體型系數一定要按規范考慮足夠，特別是對屋面角部、檐口、雨蓬、遮陽板等突出構件的負壓區，其局部風吸力很大。同時還要考慮陣風系數的影響，尤其象卷簾門、玻璃幕墻、鋁合金門窗等圍護結構，更是如此。這類構件的抗風措施主要是加強自身的整體性，并與主體結構有可靠的連接或錨固。

（6）臨時措施

應在強風到來前對結構進行臨時加固措施。隨著現代科技的發展，對強風預報的準確性已大為提高。因而對建筑物采取臨時的防風加固措施不失為一種既經濟又見效的方法。比如在強風到來前往屋頂上堆置重物，以加重屋頂重量防止被強風破壞；臨時打斜撐、加拉索，以增強建筑物的抗風能力；或者采用疏導的辦法，如拆卸門窗扇，讓大風呼嘯而過，減少風荷載，以保安全的做法。

四、大跨度異型結構的抗風構造措施

可從以下三個方面加以考慮：

（l）加強房屋異型系統自身的連接以及整體性

大跨異型結構具有質量輕、柔性大、阻尼小的特點，容易遭強風的破壞，應采取措施加強屋面覆蓋物與檁條之間，檁條與屋面桁架之間以及屋面精架與屋面桁架之間的連接或支承。

（2）加強異型系統與其承重墻（柱）體的連接

對于自重較輕的異型系統，強風引起的屋面掀力有時甚至可以克服屋蓋的自重而使支承處產生上拔力，由于設計時通常不考慮支承處的受拉，極易導致屋蓋因為整體移位而倒塌。

（3）加強墻體與墻體、墻體與圈梁或構造柱的連接

大跨異型結構的支承外墻，直接承受較大的橫向水平風荷載作用，其強度和穩定性不容忽視。承重外墻對于保證房屋在強風作用下的整體安全十分重要，需根據設計風速的大小，對外墻構造柱及圈梁的設置，外墻轉角及內外墻交接處的構造，屋蓋與墻體的連接，單片外墻的最大面積等做出明確的限定。

五、結束語

要想做好大跨度異型結構的抗風性能研究，風洞試驗、數值風洞模擬、 現場實測等這些實驗都不能少，在研究了大跨度異型結構的抗風構造性能之后，我們才能從中深刻的體會到風災對建筑的影響，從而在今后的大跨度建筑設計中不斷的改進。