淺談大跨度異型結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能研究

【摘要】隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)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(xiàn)在城市里更是多見，那么在設(shè)計(jì)大跨度的異型結(jié)構(gòu)的建筑時(shí)，如何考慮其結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性呢？本文根據(jù)對(duì)具體的大跨度異型結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的分析對(duì)大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能展開了研究。

【關(guān)鍵詞】大跨度異型結(jié)構(gòu)；抗風(fēng)；抗風(fēng)性能

一、大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究展開

由于形狀復(fù)雜，大跨空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的時(shí)空分布比其他大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多。Holmes于2004年指出，準(zhǔn)定常假設(shè)即假設(shè)物體的振動(dòng)相對(duì)平均風(fēng)來說是緩慢的，一般不適用于大跨空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力風(fēng)荷載。所以，大跨空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究作為一個(gè)新型的課題值得我們探討。空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的重要問題主要是等效靜力風(fēng)荷載的等效原則和求解方法。LRC法已被應(yīng)用于求解結(jié)構(gòu)的背景等效靜力風(fēng)荷載分量，而振動(dòng)慣性力則被建議用來計(jì)算共振等效靜力風(fēng)荷載分量。利用模型現(xiàn)場測量和風(fēng)洞試驗(yàn)，已初步認(rèn)識(shí)到低矮建筑的風(fēng)荷載作用機(jī)理和破壞機(jī)理。

大跨度的異型結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和效應(yīng)的數(shù)值模擬及土木工程數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究中具有戰(zhàn)略意義的發(fā)展方向。在諸多湍流模型中，大渦模擬是近年來計(jì)算風(fēng)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(jì)算量較小，而精度較高。特別需要提到，近年中離散渦數(shù)值計(jì)算方法在橋梁氣動(dòng)彈性計(jì)算中已取得很大成功。流固耦合數(shù)值模擬是數(shù)值計(jì)算科學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。近來的研究表明，分區(qū)強(qiáng)耦合或弱耦合法較為成熟，計(jì)算量相對(duì)較小，結(jié)果精度較高，適用于風(fēng)工程數(shù)值模擬。

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)風(fēng)荷載或響應(yīng)如超出允許值，則必須加以控制。人們通過風(fēng)洞試驗(yàn)，總結(jié)了控制橋梁和建筑風(fēng)荷載及風(fēng)振的被動(dòng)氣動(dòng)措施。主動(dòng)氣動(dòng)控制措施研究尚處在研究階段，通過風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析來研究可主動(dòng)調(diào)節(jié)的氣動(dòng)措施以提高橋梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。在進(jìn)行阻尼器控制結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)研究時(shí)，針對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振時(shí)結(jié)構(gòu)的表觀阻尼和頻率發(fā)生變化這一特點(diǎn)，提出了MTMD方法、半主動(dòng)控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)方法。

二、大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能研究內(nèi)容

國內(nèi)外各種資料表明，迄今為止，研究的抗風(fēng)性能有以下內(nèi)容：

（1）風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論和方法研究。加強(qiáng)現(xiàn)場實(shí)測，獲得更為全面、準(zhǔn)確的風(fēng)特性資料，深人研究大跨度的異型結(jié)構(gòu) ，模型風(fēng)洞試驗(yàn)理論和方法，研究土木結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和響應(yīng)機(jī)理；研究結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的更為科學(xué)合理的方法及風(fēng)荷載和風(fēng)振控制方法。

（2）大跨度的異型結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和效應(yīng)的數(shù)值模擬及數(shù)值風(fēng)洞。研究結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值模擬方法，研究結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性響應(yīng)的數(shù)值模擬方法，并將這些有效方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)機(jī)理的研究，研究臺(tái)風(fēng)分布和城市風(fēng)特性的數(shù)值模擬方法，研究風(fēng)環(huán)境（包括城市小區(qū)風(fēng)環(huán)境、行人高度風(fēng)環(huán)境及建筑物內(nèi)部風(fēng)環(huán)境等）的數(shù)值模擬方法。

（3）風(fēng)災(zāi)評(píng)估方法及評(píng)估系統(tǒng)。研究城市風(fēng)災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)劃方法和風(fēng)災(zāi)防御標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合城市人口、經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施等地理信息系統(tǒng)（GIS）和數(shù)據(jù)庫，研究城市風(fēng)災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)劃方法，研究城市風(fēng)災(zāi)害損失的評(píng)估方法，研究建立風(fēng)災(zāi)數(shù)據(jù)庫的方法，研究城市風(fēng)災(zāi)的防御標(biāo)準(zhǔn)。

（4）風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析理論和方法研究。研究風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別方法和靈敏度分析方法，研究風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估的概率方法和模糊方法及其他新方法，研究結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)管理決策系統(tǒng)，研究風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際應(yīng)用

三、在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中如何降低風(fēng)災(zāi)的破壞

風(fēng)災(zāi)發(fā)生的頻率很高、次生的災(zāi)難很大、帶來的影響范圍非常廣泛，國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明，風(fēng)災(zāi)造成的損失為各種自然災(zāi)害之首。

根據(jù)近年來風(fēng)災(zāi)破壞的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和理論認(rèn)識(shí)，再結(jié)合上述對(duì)大跨度異型結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)、施工建造方面的問題分析，總結(jié)出以下一些抗風(fēng)概念設(shè)計(jì)方法，以供大跨度異型結(jié)構(gòu)在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮：

（1）場地選擇

應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)建筑抗風(fēng)有利的場地和環(huán)境。建筑風(fēng)水理論，以建筑風(fēng)環(huán)境的選擇擺在首位，以“藏風(fēng)聚氣”作為選擇建筑風(fēng)環(huán)境的原則，同時(shí)強(qiáng)調(diào)避開不利的風(fēng)環(huán)境，當(dāng)今的建筑設(shè)計(jì)，往往將建筑的防風(fēng)問題完全歸結(jié)于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，較少考慮尋求或改善建筑風(fēng)環(huán)境，常常忽略局部地形條件對(duì)風(fēng)壓的影響，這一問題應(yīng)引起足夠重視。

（2）建筑體形

應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)抗風(fēng)有利的建筑體形。建筑體型對(duì)其表面風(fēng)荷載有很大的影響，因此優(yōu)化建筑體形以增強(qiáng)建筑物的防風(fēng)減災(zāi)能力應(yīng)作為抗風(fēng)建筑設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗風(fēng)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(duì)前緣局部風(fēng)壓影響更是顯著，應(yīng)進(jìn)行合理優(yōu)化。

（3）建筑布局

應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)抗風(fēng)有利的建筑布局。建筑物間的相互氣動(dòng)干擾是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，它不但與建筑物間的相對(duì)位置，建筑物的密集程度有關(guān)，還與相鄰建筑物的形狀有關(guān)。周圍建筑物由于其對(duì)所考慮屋面的環(huán)境風(fēng)場的影響，也必然引起屋面風(fēng)荷載的變化。對(duì)于這種影響，風(fēng)洞模擬試驗(yàn)是較好的研究手段。加強(qiáng)對(duì)房屋建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃，采取聯(lián)片建造的方法，可以大大提高房屋的抗風(fēng)性能。

（4）結(jié)構(gòu)體系

應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)抗風(fēng)有利的建筑結(jié)構(gòu)體系。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)體系的選擇是抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的最為關(guān)鍵的問題。在選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)考慮各方面的要求。

（5）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

應(yīng)當(dāng)足夠重視非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗風(fēng)問題。從強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害來看，如果非結(jié)構(gòu)構(gòu)件處理的不好，可能會(huì)倒塌傷人、砸壞設(shè)備、損壞主體結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行建筑物非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，局部風(fēng)壓體型系數(shù)一定要按規(guī)范考慮足夠，特別是對(duì)屋面角部、檐口、雨蓬、遮陽板等突出構(gòu)件的負(fù)壓區(qū)，其局部風(fēng)吸力很大。同時(shí)還要考慮陣風(fēng)系數(shù)的影響，尤其象卷簾門、玻璃幕墻、鋁合金門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)，更是如此。這類構(gòu)件的抗風(fēng)措施主要是加強(qiáng)自身的整體性，并與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接或錨固。

（6）臨時(shí)措施

應(yīng)在強(qiáng)風(fēng)到來前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)加固措施。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性已大為提高。因而對(duì)建筑物采取臨時(shí)的防風(fēng)加固措施不失為一種既經(jīng)濟(jì)又見效的方法。比如在強(qiáng)風(fēng)到來前往屋頂上堆置重物，以加重屋頂重量防止被強(qiáng)風(fēng)破壞；臨時(shí)打斜撐、加拉索，以增強(qiáng)建筑物的抗風(fēng)能力；或者采用疏導(dǎo)的辦法，如拆卸門窗扇，讓大風(fēng)呼嘯而過，減少風(fēng)荷載，以保安全的做法。

四、大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)構(gòu)造措施

可從以下三個(gè)方面加以考慮：

（l）加強(qiáng)房屋異型系統(tǒng)自身的連接以及整體性

大跨異型結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小的特點(diǎn)，容易遭強(qiáng)風(fēng)的破壞，應(yīng)采取措施加強(qiáng)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(qiáng)異型系統(tǒng)與其承重墻（柱）體的連接

對(duì)于自重較輕的異型系統(tǒng)，強(qiáng)風(fēng)引起的屋面掀力有時(shí)甚至可以克服屋蓋的自重而使支承處產(chǎn)生上拔力，由于設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮支承處的受拉，極易導(dǎo)致屋蓋因?yàn)檎w移位而倒塌。

（3）加強(qiáng)墻體與墻體、墻體與圈梁或構(gòu)造柱的連接

大跨異型結(jié)構(gòu)的支承外墻，直接承受較大的橫向水平風(fēng)荷載作用，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性不容忽視。承重外墻對(duì)于保證房屋在強(qiáng)風(fēng)作用下的整體安全十分重要，需根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)速的大小，對(duì)外墻構(gòu)造柱及圈梁的設(shè)置，外墻轉(zhuǎn)角及內(nèi)外墻交接處的構(gòu)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(jié)束語

要想做好大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能研究，風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值風(fēng)洞模擬、 現(xiàn)場實(shí)測等這些實(shí)驗(yàn)都不能少，在研究了大跨度異型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)構(gòu)造性能之后，我們才能從中深刻的體會(huì)到風(fēng)災(zāi)對(duì)建筑的影響，從而在今后的大跨度建筑設(shè)計(jì)中不斷的改進(jìn)。