高層建筑結構的抗風設計

李奕寬

引言

建筑物的抗風設計效果對建筑物的使用有很大的影響，我們要能夠針對建筑物的抗風設計方法來進行相關的優化，可以采取加強基礎設計、設置耗能減震系統、增大結構的水平荷載能力和提高建筑物的承載力和剛度等方法來保證建筑物的正常安全使用。

1 高層建筑結構的抗風設計原則

在建筑的設計過程中，要保證結構具有足夠的強度，能夠承受風荷載作用下的內力，保證建筑物的正常使用。在建造過程中，要選擇合理的結構體系和建筑的結構外形；在建筑材料的選擇上面，要盡量選用剛度較大的材料以減少風力荷載作用的影響。同時在建筑方面，圓形和正多邊形有利于減少風壓的數值，盡量采取有一定規范化的形狀和建筑結構，這樣可以減少風力的扭轉影響。同時，在外墻部分，要能夠保證有較大剛度的維護措施以保證墻體結構的可靠的連接，避免出現墻體的破壞。

2 高層建筑結構抗風設計的內容

2.1 風荷載的計算

根據我國建筑結構可靠度設計統一標準，在風荷載容易的過程中使用的是50年設計基準期，同時使用平穩二項隨機過程對荷載的隨機過程進行表述。如果氣流碰到建筑物，在建筑物的表層面上會出現壓力，或者出現吸力，具體來說就是產生風荷載，近地風的性質、風速和風向都會對風荷載的大小產生影響，同時建筑的高度、形狀和地表面都會對風荷載的大小產生影響。按照新規范，在計算主體結構時，如果風荷載垂直于建筑物表面，則其標準值的計算公式如下所示，將垂直于風向的最大投影面積的作為風荷載的作用面積：Wk=βzμsμzW0，在這個公式中，Wk主要指的是風荷載標準值（kN/m2）；W0主要指的是基本風壓（kN/m2）；μz主要指的是風壓高度變化系數；μs主要指的是風荷載提醒系數；βz的范圍主要指的是高度處的風振系數。

2.2 加強高層建筑的控制

根據風荷載的作用，要加強控制高層建筑的振幅、振動速度和加速度。

2.3 高層建筑的水平位移指標

按照正在使用的建筑結構設計標準，要從以上兩個方面限制高層建筑結構在風荷載作用下的變形響應：一方面，對高層建筑結構的頂端水平位移u和總高度H的比值（u/H）進行限制，主要目的是對結構的總變形量進行控制；另一方面，是要對相鄰兩層樓蓋間的相對水平位移Δu與層高h的比值（Δu/h），通常情況下，Δu/h在結構的各層中的比值是不一樣的，并且一般情況下，量大的Δu/h要比u/H的限值要大。對Δu/h進行限制的主要目的是避免破壞填充墻和裝飾部件，防止電梯軌道和管道等設施出現過大的變形現象。

3 高層建筑結構抗風加固的方法

3.1 增大截面法

通過對建筑物的結構面積的擴大建設，能夠提高建筑物的承載能力和截面高度，可以通過改變建筑物的自振頻率的方法，來減小建筑物結構的動力風荷載的效應。這種方法主要用于加固建筑物之中的梁、板和鋼結構的柱子及建筑物的屋架以及相關的磚墻和磚柱等部分的加固。這種方法可以有效地增加建筑物結構的自身重量，但是同時也會相應地減少使用空間。

3.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法，這是在建筑物結構的四周進行以型鋼來進行加固。這種方法有干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。這種方法的實施原理就是在保持原有構建的截面尺寸不變的情況下來提高建筑構件的承載力和剛度，主要適用于一些混凝土澆灌的柱子和屋架以及磚墻等結構構件。這種方法的弊端是用鋼量較大，而且維修費用也比較高。

3.3 預應力加固法

在建筑結構的抗風加固的方法之中，還可以采用預應力加固法，這種加固方法的原理是采用預應力鋼拉桿來對建筑結構進行加固，是在不改變原有使用空間的條件下，來提高建筑構件的承載力。主要適用于受彎構件以及混凝土澆灌的柱子和屋架等構件的加固。加固效果良好，發展前景廣闊，但是增加了施加預應力的工序和機械設備。

3.4 改變受力體系加固法

通過改變建筑物的受力體系，并通過在建筑物的構件合理位置增設承重支點和采用托梁拔柱的方法改變建筑物的結構的受力體系，能夠提高建筑物的結構構件的承載力，可以有效地減少建筑物的整體承重力和以減少裂縫寬度。這種方法主要用于跨度較大的建筑物結構。

3.5 外部粘鋼加固法

這種方法的原理主要是通過用膠黏劑在構件外部粘貼鋼板的方法，這種方法不改變構件的外形和使用空間，同時能夠提高構件的承載能力，而且能夠保證建筑物的正常使用。但是對施工工藝的要求較高，所要求的專業技術比較稀缺。

4 高層建筑結構抗風舒適度的可靠性分析

在實際的情況中，風對高層、高聳結構的安全性和適用性兩個方面產生直接的影響，而結構可靠度理論主要是對結構的安全性、實用性和耐久性進行研究。所以要對風荷載作用下高層、高聳結構的抗風可靠度進行研究，進而保證高層、高聳結構抗風設計和風振控制工作的順利實施。在側向力作用的影響下，高層結構會出現振動的情況，如果振動處于某一限值時，人們就會感覺不舒適。因為建筑高度在不斷的變高、建筑結構體系在不斷的完善等等因素的影響，使得高層建筑結構呈現著越來越柔和的趨勢，此外，風作用發生的頻率越來越高，高層建筑設計和控制的重要因素逐漸的變成舒適度。高層和超高層建筑鋼結構因為高度的快速增加，結構振動阻尼變得越來越小，風荷載對高層建筑的作用越來越大，因此高層建筑鋼結構在設計的過程中首先要考慮風運動的人體舒適度。為了更加科學和合理的對高層建筑結構的舒適度和結構設計進行研究，有必要從可靠性角度分析舒適度。

5 結束語

隨著經濟的迅速發展和城市規模的不斷擴大，在城市中涌現出越來越多的高層建筑。作為高層建筑的結構設計人員應不斷學習和提高，重視結構試驗研究成果，結合施工實踐，通過大量工程經驗的積累，作出技術先進、安全可靠、經濟合理的各種高層建筑的結構設計。

[1]黃銘楓.基于風振性能的高層建筑抗風設計優化[J].工程力學，2016（2）：240～246，253.