大跨度结构的抗风设计

摘要：大跨度结构设计中风荷载是控制荷载之一。由于其在风荷载和结构特性方面的复杂性，至今还没有建立像高层建筑那样有效的风荷载分析方法。本文回顾总结国内外大跨度结构抗风设计方法，并指出其存在的不足，进一步分析这种结构的破坏形式及有关的抗风措施。

关键字：风荷载，风压分布， 风振响应 ，风洞试验 ，抗风措施

Abstract: the big span structure design stroke is one of the load load control. For the wind load and structure characteristics of complexity, so far no set up like that effective high-rise building wind load analysis method. This paper reviewed and summarized up big span structure wind design method, and points out the existing problems and further analyses the structure, the destroy form of wind resistance and relevant measures.

Key word: wind loading, wind pressure distributions, wind vibration response, wind tunnel test, wind measures

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1. 引言

借着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的契机，在中国掀起了一股修建大跨度体育馆（场）的热潮，出现了像“鸟巢”、“水立方”等跨度大、建筑新颖、结构复杂的建筑物。DavenPort[1]曾经说过，如果没有风，结构尤其是大型结构的设计将会容易很多，造价也会低很多。这些大跨度结构受力复杂，质量较轻、阻尼较小，处于湍流度高的低矮大气边界层中，其风致动力响应较为明显，很多时候已经不能单纯地依据规范进行设计，特别是这些结构的抗风设计几乎是无据可依。这时，大跨度空间结构的抗风设计成为衡量结构师水平的一个重要标志。

2大跨度结构抗风设计基本方法

建筑结构的抗风研究是个系统工程[2]，在大跨度结构的抗风研究中，风工程研究人员的主要任务就是从外形迥异的建筑形式中归纳出结构表面风压分布的规律，解释风压分布的机理，通过结构风致响应的分析获得等效静风荷载。

图2.1结构抗风研究的主要流程

但是由于人们对建筑造型美观的要求越来越高，屋面结构的抗风性能好与造型优美形式，常常不能统一。大跨度屋盖结构的风荷载研究遇到的瓶颈[2]是，一方面结构工程师需要在设计时对建筑的荷载和风效应有全面的了解，取得建筑形式和建筑成本的最优结合点，另一方面优化建筑方案时不断变化的外形参数给结构的风荷载带来了很大的不确定性。一个最佳的解决方案是，建立不同结构特征包括结构动力特性和外形参数的对应风荷载数据库，设计师在结构方案调整中可以方便的获得结构风效应的全部信息。但是，对于具体的大跨度屋盖结构而言，由于体型新颖各异，建筑结构的参数变化多端，再加上建筑所处风场的不同，这种设想显然是不可能实现的。所以，只能根据对具体的大跨度屋盖结构风效应的分析，需要深入研究大跨度屋盖结构的风荷载分布和结构风致振动特性，总结其共性的规律，规范其抗风设计方法。

我国目前对房屋建筑的抗震设计采用三水准设防的原则，即采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计思想。将此抗震设计思想延用到大跨度屋盖结构的抗风设计，可以概括为“常遇风压不坏，偶遇风压可修，罕遇风压不倒”的三水准设防原则[4]。

（1）第一阶段设计

采用第一水准风压，即常遇风压Wd，计算结构在弹性状态下的风荷载效应，然后与地震、重力等其他荷载效应组合，进行构件截面设计，使其满足常遇风压下的强度要求。这一阶段的设计，对应于结构的正常使用极限状态，用以满足第一水准的抗风设防要求。

（2）第二阶段设计

采用第二水准风压，即偶遇风压Wf，计算结构的变形，裂缝宽度，使其不超过规范所规定的限值，同时通过概念设计的方法，优化结构截面尺寸和形状，确定合理的结构布置和构造措施，保证结构具有足够的变形能力，使其满足偶遇风压下的变形要求。

（3）第三阶段设计

采用第三水准风压，即罕遇风压We，计算结构各部位连接处的强度，并计算结构主体的变形、裂缝宽度，使其离结构倒塌时的临界限值有一段距离，同时，对结构采取必要的预前临时加固措施(如斜撑、拉索、屋顶加压构件等)，保证主体结构的弹塑性被控制在某一限度内，使其满足在罕遇风压下不倒塌的要求。这一阶段的设计，对应于结构的承载能力极限状态，用以满足第三水准的抗风设防要求。

大跨度屋盖结构的抗震分析己应用“三级设防、两阶段设计”，而抗风分析还停留在一级设防，一阶段设计的基础上。随着大跨度屋盖结构跨度的提高和风灾力学以及风工程研究的深入，“三水准设防，三阶段设计”的抗风分析是有可能获得广泛的应用前景。

3. 大跨度结构的风压分布研究

现行的规范（GB5009－2002）以现行荷载规范以公式和表格的形式量化了高层和高耸结构的惯性力风振系数，为工程计算提供参考。但是规范并没有为大跨度结构提供风振系数的参考公式，这时因为空间结构的形式多样性，很难做到统一。目前在空间结构的工程设计中，除了重大的工程，很多时候工程师是参照以往的经验值指定风振系数，具有很大的任意性。现在，设计师可以采取风洞试验、数值模拟风洞以及现场实测等多种手段来获得风压分布情况。

3.1 风洞试验

目前来说，运用风洞试验来预测复杂体型大跨度结构的风荷载分布特性，是一种比较直接、有效的研究手段，同时也得到工程界的广泛应用。根据试验目的的不同，风洞试验又分为刚性模型的测压试验研究和气动弹性模型试验研究两种。

3.2 数值风洞模拟

数值风洞方法在结构风工程研究和设计中具有极为广阔的发展前景。数值风洞指利用计算机模拟复杂结构表面及其周围的空气流场，经数值计算，获取结构形体表面的风压分布、风载体型系数和结构风振系数，为结构抗风设计提供坚实依据。数值风洞是多学科高度集成的产物，体现为综合集成创新。数值风洞模拟技术在大跨度屋盖结构上的应用，在国内己经有比较成功的例子。陈勇(2002)利用CFD软件，对上海虹口足球场悬挑屋盖上的风压力进行了模拟[6]，并研究了体育场内部流场的规律。顾明、杨伟(2004)对上海铁路南站屋盖上的平均风荷载进行了数值模拟[7]，并将CFD计算结果与风洞试验结果进行了比较，比较结果说明两者的数值很接近。汪丛军、黄本才等(2004)对越南国家体育场屋盖平均风压和周围风环境的影响做了数值模拟[8]，并与试验结果进行了比较，大体上吻合。

3.3 现场实测

现场实测一般利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，以获得风特性和结构响应的第一手资料，是风工程研究中一项非常重要的基础性工作。然而，现场实测也受到一些条件的限制，一是自然风变化不定，工作环境可能不安全，二是现场测试组织和安排比较复杂，耗时耗资大，试验成本高，三是实测数据的精度问题。由于现场实测存在这些限制条件，很多因素难以人为控制，因而在实际研究中较少应用，国内则未见报道，国外也仅对少量的大跨度屋盖结构进行了现场实测研究[9]。

刚性模型测压试验、气动弹性模型试验以及现场实测都是进行大跨度结构抗风研究的有效手段。每种方法都有不同的适用性，实践中应根据大跨度结构的实际情况来选择合适的试验手段。

4.大跨结构的风振响应研究

结构的风致振动，一般受到自然风特性、结构自振特性、风与结构的祸合作用等很多因素的影响。结构风振形式、风振机理大体上可以分为以下几类:(1)抖振，;(2)颤振和驰振，;(3)涡激共振。

在研究结构的风振响应问题时，一般把风荷载表示为一个平稳随机过程。用于工程结构随机振动分析的方法可分为频域分析方法和时域分析方法两类，同时确定性的时程分析方法也用来计算大跨度屋盖结构的风致响应。

4.1 频域分析法

将频域分析方法用于大跨度结构的风振动力响应分析，概念清晰、计算简便，得到了广泛的应用。主要包括振型分解法、响应谱法、特征值法、虚拟激励法等。这些方法虽然大多数是针对求解结构地震响应而提出的，但对于大跨度屋盖结构的风振响应分析也很有意义。其中，振型分解法研究较多，其基本思想是将系统的响应统计量表示成各模态响应统计量的加权和。由于它是以线性化假定为前提的，在计算过程中结构刚度、阻尼性质保持不变，不能考虑结构的非线性效应，因此仅限于线性结构或弱非线性结构的振动问题。频域法求解风振响应中，风荷载通过风速自功率谱定义。工程界使用较多，并为我国规范所推荐的是Davenport水平风速谱和空间相干函数。

4.2 时域分析法

对于大跨度屋盖结构的风振响应，采用时域分析方法可以计入频域方法所包含的所有因素，可以考虑自然风的时间相关性和结构几何、材料非线性的影响以及任意的阻尼特性，可以直观的描述一定时程内结构的风振响应过程，给出一定精度的数值解，进而分析研究大跨度屋盖结构的风振规律。

时域分析需要明确的风速时程曲线，为了得到风速时程曲线可采用人工模拟生成的方法。目前人工模拟风速曲线的方法主要有:谐波叠加法(WAWS)、利用线性滤波技术的方法(AR、MA、ARMA等)、小波分析等。

5.大跨度屋盖结构的破坏及其抗风措施

5.1 大跨度屋盖结构的破坏

风灾发生的频率很高、次生的灾难很大、带来的影响范围非常广泛，国内外统计资料表明[10]，风灾造成的损失为各种自然灾害之首。

根据近年来风灾破坏的经验教训和理论认识，再结合上述对大跨度屋盖结构在建筑结构、施工建造方面的问题分析，总结出以下一些抗风概念设计方法，以供大跨度屋盖结构在抗风设计时予以考虑:

(1)场地选择

应当选择对建筑抗风有利的场地和环境。建筑风水理论，以建筑风环境的选择摆在首位，以“藏风聚气”作为选择建筑风环境的原则，同时强调避开不利的风环境，当今的建筑设计，往往将建筑的防风问题完全归结于结构的抗风设计，较少考虑寻求或改善建筑风环境，常常忽略局部地形条件对风压的影响，这一问题应引起足够重视。

(2)建筑体形

应当选择对抗风有利的建筑体形。建筑体型对其表面风荷载的影响，前文己作了详细的讨论，因此优化建筑体形以增强建筑物的防风减灾能力应作为抗风建筑设计的先决条件。除屋面形式外，房屋的长宽比、高宽比、层高和总高度等对结构的风荷载或结构构件的抗风承载能力也有较大的影响，大跨屋盖的悬挑长度、悬挑部分水平倾角、前缘外形等，对前缘局部风压影响更是显著，应进行合理优化。

(3)建筑布局

应当选择对抗风有利的建筑布局。建筑物间的相互气动干扰是一个相当复杂的问题，它不但与建筑物间的相对位置，建筑物的密集程度有关，还与相邻建筑物的形状有关。周围建筑物由于其对所考虑屋面的环境风场的影响，也必然引起屋面风荷载的变化。对于这种影响，风洞模拟试验是较好的研究手段。如前所述，已有文献对这类问题进行了研究，结果表明，相邻建筑物横风向并列时，在S/≤2(S为建筑物间距，D为建筑物边长)的区域存在间隙流效应;建筑物沿顺风向纵排时，在S/D≤3的区域存在屏蔽效应。研究中还发现，屋面结构的屋檐、屋脊、屋面边缘以及墙角部位是受不利干扰最显著的区域。加强对房屋建设的统一规划，采取联片建造的方法，可以大大提高房屋的抗风性能。

(4)结构体系

应当选择对抗风有利的建筑结构体系。抗风结构体系的选择是抗风设计应考虑的最为关键的问题。在选择结构体系时，应考虑各方面的要求。

(5)非结构构件

应当足够重视非结构构件的抗风问题。从强风灾害来看，如果非结构构件处理的不好，可能会倒塌伤人、砸坏设备、损坏主体结构。在进行建筑物非结构构件设计时，局部风压体型系数一定要按规范考虑足够，特别是对屋面角部、檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件的负压区，其局部风吸力很大。同时还要考虑阵风系数的影响，尤其象卷帘门、玻璃幕墙、铝合金门窗等围护结构，更是如此。这类构件的抗风措施主要是加强自身的整体性，并与主体结构有可靠的连接或锚固。

(6)临时措施

应在强风到来前对结构进行临时加固措施。随着现代科技的发展，对强风预报的准确性已大为提高。因而对建筑物采取临时的防风加固措施不失为一种既经济又见效的方法。比如在强风到来前往屋顶上堆置重物，以加重屋顶重量防止被强风破坏;临时打斜撑、加拉索，以增强建筑物的抗风能力;或者采用疏导的办法，如拆卸门窗扇，让大风呼啸而过，减少风荷载，以保安全的做法。

5.2 大跨度屋盖结构的抗风构造措施

大跨度屋盖结构的风荷载持性研究表明，由于气流分离的作用，屋面转角、边缘和屋脊等部位，容易出现较高的局部负压区，并且由于气流分离常在其尾流中形成较强的涡流脱落。这些部位的压力波动也往往较大，甚至有可能产生交变力的作用，因而这些部位容易成为大跨度屋盖结构在强风中首遭破坏的薄弱部位。对风灾后大跨度屋盖房屋破坏情况的实地调查资料也都充分证实了这一点。因此，对于大跨度屋盖结构的抗风问题，除了应对结构进行合理的抗风荷载设计以保证结构主体的强度以外，尚应针对房屋的各个薄弱环节，采取有效的抗风结构构造措施，以加强结构各构件之间的连接和整体性，防止被强风各个击破。大跨度屋盖结构的抗风构造措施可从以下三个方面加以考虑:

(l)加强屋盖系统自身的连接和整体性

大跨屋盖结构具有质量轻、柔性大、阻尼小的特点，容易遭强风的破坏，应采取措施加强屋面覆盖物与擦条之间，擦条与屋面析架之间以及屋面精架与屋面析架之间的连接或支承。

(2)加强屋盖系统与其承重墙(柱)体的连接

对于自重较轻的屋盖系统，强风引起的屋面掀力有时甚至可以克服屋盖的自重而使支承处产生上拔力，由于设计时通常不考虑支承处的受拉，极易导致屋盖因为整体移位而倒塌。

(3)加强墙体与墙体、墙体与圈梁或构造柱的连接

大跨屋盖结构的支承外墙，直接承受较大的横向水平风荷载作用，其强度和稳定性不容忽视。承重外墙对于保证房屋在强风作用下的整体安全十分重要，需根据设计风速的大小，对外墙构造柱及圈梁的设置，外墙转角及内外墙交接处的构造，屋盖与墙体的连接，单片外墙的最大面积等做出明确的限定。

5.3大跨度屋盖结构的气动抑风措施

风载响应在很大程度上取决于风对结构的相互作用，而且这一作用和结采用气动措施改变结构周围的流态往往是比较经济合理的途径。当然，气动需要经过风洞实验的验证。对于封闭体型的大跨度屋盖结构，最直接的方法就是干扰和破坏柱状涡减少上表面的负风压。具体说来可以有以下几种方法:

(l)去除产生漩涡的直角边(如采用圆形或弧形的屋面棱角边等);

(2)瓦解漩涡的形成(如采用局部性的女儿墙和透风性女儿墙等);

(3)干扰漩涡(如在屋面角区安装气流分隔器和锯齿形棱角边等);

(4)转移漩涡(如绕屋面一周全部布置女儿墙等);

6.大跨度屋盖结构抗风研究的不足之处

由于屋盖结构上风荷载的复杂性以及在简化结构计算模型等方面的困难，目前大跨度屋盖结构抗风研究和应用中还存在以下不足:

1）目前对于复杂体型大跨度屋盖结构的平均及脉动风荷载特性、风荷载形成机理及分布规律的研究开展得很少。

2）数值风洞技术还没有达到成熟的地步，所依赖的理论本身和数值模拟技术如湍流的模拟、网格技术等还需进一步发展。

3）大跨度结构的围护结构比主体结构更容易发生风致破坏。然而，已有的有关于大跨度结构的抗风研究，都是针对主体结构，对围护结构的抗风分析研究很少。

4）早期的静风稳定分析采用的是以线性理论为主，不能够考虑结构变形因素的影响，也忽略了初应力和变形中高阶量的作用，通常会过高地估计结构的稳定承载能力。

5）在现行建筑结构风荷载规范中，大跨度结构的抗风设计参数取值方法尚不完善，需要对大跨度屋盖结构的风致振动特性进行深入研究。

6）大跨度屋盖结构的抗震分析己应用“三级设防、两阶段设计”，而抗风分析还停留在单一的抗风设防标准的基础上。

参考文献

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[5]海，大型体育场主看台挑蓬的风荷载及风致响应研究，同济大学博士论文，2003.

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[10]V.Kolousek，Wind effects on civil engineering structures，ELSEVIER Press，1984.

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