高层建筑结构风荷载的问题探讨

摘要：高层建筑已经成为现今世界范围内的建筑主流，其在层数、高度、设计等方面都有了很大的进步，它是一个国家建筑的发展水平和经济实力的集中体现，也是建筑结构理论和技术的主要表现手法，但是，如何解决其风荷载的问题，一直是当今结构工程和风工程界的重大课题。

关键词：高层建筑;建筑结构;风荷载

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

近三十年来,各种类型的高层和大跨建筑结构在美、日、欧等发达国家的发展很快,建筑的高度和跨度越来越大,采用了许多新材料和新技术,创造了丰富的结构形式。许多宏伟而富有特色的建筑已成为当地象征标志和著名人文景观。从今天来看,高层和大跨度建筑结构已成为代表一个国家建筑科技发展水平的重要标志之一。因此,现在的建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展,使得前的高层建筑结构的自振周期与自然界风速的长越周期较接近,故风对高层建筑的影响越来越大，必须高度重视高层建筑结构风荷载分析。

一、风荷载的种类及特点风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括三个部分：平均风压产生的平均力；脉动风压产生的随机脉动力；由于风致建筑物振动产生的惯性力。对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；脉动风的强度、频率、风向是随机的；风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。

二、高层建筑结构的风荷载一般来说，在气流的三维流动过程当中，在相互垂直的三个方向上对应的有着一个风速分量，平均风速分量是处在水平方向上的，与其一致的还包括脉动风速分量，脉动风速分量仅存在于与平均风速垂直的竖直方向和水平方向上。高层建筑的风力致弯曲振动是由顺风向振动和横风向震动两个运动组成。每一个方向上的脉动风荷载引起该方向上的风振动力反映。对建筑结构进行风振动力反映分析，是为了计算建筑构件的动内力、验算舒适度、位移等问题。我国现有的建筑结构荷载理论在计算顺风向风振影响系数时，大多采用先计算顺风向振动力反映，然后再按等效静力方法计算风振贯性力。为了方便计算，我们在进行高层建筑的风振反映测试时一般将高层建筑的结构简化成顶端是自由的，底端为固定的悬臂梁模型，把顺风向振动和横风向的振动分别看成是两个不同方向上的平面内振动；把顺风向脉动风压和横风向脉动风压看成是悬臂梁上的随机荷载，再根据结构的动力学和结构的随机振动理论来建立高层建筑结构风振的计算公式。

三、高层建筑结构抗风的理论基础建筑空气动力学是结构抗风理论的研究基础。建筑空气动力学它包括：结构动力学、随机振动学、流体力学、概率论、控制论等多门学科。它的研究方法有：现场实测法、风洞试验法以及理论分析法。我们把流体的粘性力与惯性力之比称为雷诺数。建筑物的雷诺数较大时，表明流体的流动是以惯性力为主的，这时凡是与流体相接处的任何固体表面的边界都存在着非常大的能量交换，并且能量十分的不稳定，我们称这样的流体为紊流或者是湍流。据有关实验表明：湍流一般存在于大气边界层的底层强湍流场中，对于风荷载的研究，对其结构特点的研究比模拟研究雷诺数更具有重要性。对建筑结构风荷载和风影响进行风洞试验时，要注意使平均风速廓线近似于湍流结构性。风洞试验模拟的大气边界层流动要近似于实际大气的流动情况，要使运动方式相似、动力效果相似、几何形状相似和边界的条件相似等情况都相似是不可能的，我们只能根据研究的对象做到局部或者近似的模拟大气流动情况。风洞试验存在的另外一个问题就是该如何把试验数据应用到工程的评估当中。过去的湍流模型对于外形绕流的问题处理时，一般会出现对驻点及附近地区流场的湍流能量预测过高；对流体前缘的流场涡量预测过低的问题，所以，我们在求解有关方程时，要注意稳定性差，提高数值计算的精度。

四、对于高层建筑结构风荷载的分析由于风荷载是一种随机性很大的荷载，其大小是由风速的大小来决定的，而风速的大小是随机变量，同一次风的风速可能因建筑物的地貌、测量高度、测量时间等因素的变化而变化，而且不会重复出现。我们把在一定的地貌条件、测量时间、距离以及规定的概率条件下测定的风速称为基本风速，其产生的风压称为基本风压。

基本风压值可采用以下方法确认：方法一：根据当地气象台、站的年最大风速实测资料（不得少于10年的年最大风速记录），按基本风压的定义，通过统计分析后定。分析时，应考虑样本数量的影响。具体计算方法可参照《建筑结构荷载设计手册》中相关章节。方法二：若当地没有年最大风速实测资料时，可根据附近地区规定的基本风压或长期的实测资料，通过气象和地形条件的对比分析确定。也可按全国基本风压分布图中的建设工程所在位置按附近的风压等压线插入确定。我们把平均风对结构的静力荷载和脉动风对结构的动力荷载统称为风荷载。在进行高层建筑工程结构的设计时，我们可以根据平均风速的最大值来进行设计。对于平均风向的最大值的确定就要借助常年的气象记录的帮助了。脉动风荷载的随机性很大，它可以使结构产生随机的振动。要解决脉动风的振动影响，我们就要了解脉动风的特点：其概率分布、功率谱、空间相关性等。脉动风的本质其实是三维的紊流风，它含有相互正交的横向风、顺向风的水平紊流以及垂直方向上的紊流。就一般结构的建筑物来说，横风与垂直方向上的紊流风的效果比顺风向上的紊流风效果要小得多。高层建筑的工程结构设计者要考虑建筑在其使用寿命范围内可能受到的最大风荷载，在实际遇到的问题中，利用已知的随机变量的几个显著特点，就可以使用少数的特征值来具体描述随机变量的主要特点。

五、高层建筑结构风荷载的要点分析

1、高层建筑体型设计方法建筑体型设计可从平面形状和竖向型体两方面考虑，同时考虑平面与竖向的组合关系，通过合理的建筑体型可以有效的减轻风荷载对建筑的影响：

（1）平面设计流线形平面：圆形、椭圆形等流线形平面，其顺风向和横风向效应都比较小，可比矩形平面减少20%-40%的风荷载，宜为高层建筑抗风设计的优选平面。正多边平面：正多边形平面体型系数小、多向对称，顺风力、横风效应差别不大，扭转效应影响较小。对于平面转角尤其是具有锐角的三角形等，可采用切角处理以减小角落效应和应力集中现象。可作为高层建筑抗风设计的常用平面。复杂平面：由于高层建筑功能、造型的复杂性以及相关诸多影响因素，往往不能仅仅使用简单的流线形或正多边平面。L、T、H、Y、十字形及槽形等平面形状亦为常用，此时，平面设计的关键是要结合风向控制平面突出长度，并选择有利于减小体型系数的朝向。（2）型体设计选择锥状型体：上小下大的锥体、台体均有利于减小建筑受风面积，故可有效减小建筑物整体所受的风荷载。同时，高层建筑竖向构件适当倾斜，可以提供较大的抗侧刚度，地基对竖向构件的约束，可以产生与风荷载效应反向的水平分力，可使建筑物整体侧移减少。

（3）刚度设计提高抗侧刚度：高层结构除了要保证足够的抗倾覆抗侧刚度外，其竖向刚度宜为下大上小、渐变分布，这可以通过建筑体型和内部竖向抗侧构件的分布来实现。对于锥体和台体，其体型所提供的刚度分布自身可以满足。对于柱体建筑，由于体型上下均匀，可通过改变内部竖向抗侧构件的截面大小来满足结构刚度的渐变分布。同时可以参考上海世贸中心的处理方法。在建筑物顶部迎风平面内的适当位置设置洞口，在减少上部结构刚度的同时，还可以有效减少建筑物的迎风面积，从而降低高层建筑物顶部风荷载效应的影响。

2、复杂高层建筑设计方法

由于风荷载随高度增加而增加，呈明显的上大下小的倒梯字形分布。故根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.2.2条规定：对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。所谓对风荷载比较敏感的高层建筑，一般情况下，对于房屋高度大于60米的高层建筑。

对高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于涡旋的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以注意。对比较重要的高层建筑，建议在风洞试验中考虑周围建筑物的干扰因素。六、结束语：总之，对如何解决高层建筑结构风荷载的问题，一直处于建筑科学发展的核心地位。对于它的研究，既可以帮助我们解决实际设计过程中遇到的问题，又可以提高风载科学的发展，进而提高我国的建筑业发展技术水平。