高层建筑结构的抗风设计

李静华 李霞 马艳顺

【摘要】本文主要从高层建筑结构设计的角度出发，论述了高层建筑结构抗风设计的一般性理念，进而提出了高层建筑结构抗风设计的有效方法，以期可以为高层建筑结构的抗风设计提供参考。

【关键词】高层建筑结构；抗风设计

中图分类号： TU97文献标识码： A

一、前言

高层建筑结构和普通建筑结构相比，其楼层高度和受力原理均存在很大的差别，所以，高层建筑结构的抗风设计极为关键，这关乎高层建筑结构的稳定性和安全性。

二、高层建筑结构的受力特点

1.空间整体作用

实际的房屋建筑都是空间结构，是空间受力的，简化为平面框架计算只适用于最简单的情况。因此，次梁的端弯矩、梁的扭矩在设计中都应考虑，柱和墙的轴力不能简单地按荷载面积计算。

2.水平力起控制作用

高层建筑由于地震和风产生的内力往往大于竖向荷载产生的内力，因此组合内力分布不同于低层建筑。如梁的端弯矩可能大于跨中弯矩等等。

3.柱、墙的轴向变形影响

由于层数多、高度大，墙、柱轴向变形逐渐积累，对内力产生明显影响，设计人员必须决定是否考虑施工过程模拟的问题。

三、高层建筑结构抗风设计中存在的问题

1.设计风压等级的确立

设计风压等级的建立需要考虑多种因素的影响。目前，我国还没有对结构设计风压等级给出明确定义，具体的划分原则和范围界定还需进一步的研究探讨。

2.风振系数的确定

我国目前确定结构风震系数时采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所获取的阻尼比实测值确定的，而抗风设计所取的风载是30-100年一遇的大风荷载。此时，结构的振动将不是微小振动，而是有较大位移的振动，而大位移振动与微振的结构阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，将使风振系数减小。因此目前我国进行高层建筑钢结构抗风设计所取的风振系数可能偏大。

3.风振舒适度的考虑

《高规》中规定重现期为10年的最大加速度限值为：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文认为存在如下有待完善之处：首先，重现期取为10年已不能满足要求。《建筑荷载设计规范》中对一般结构基本风压重现期已规定为50年，且对特殊结构还要进行重现期为100年的舒适度验算；其次，该规定只将民用建筑分为公共建筑和公寓建筑两类，不够具体；再次，将峰值加速度限值仅定为0.28m/s2和0.20m/s2，不够精确。

四、高层建筑结构抗风设计理论

高层建筑高宽比大，抗侧刚度小；所承担的水平荷载除地震作用外，主要为风荷载。相比地震作用，风载作用极其频繁。因此，对高层结构而言，风荷载是一种重要的设计荷载，甚至起决定作用。

1.基于性能的结构抗风设计理论

基于性能的结构抗风设计理论的目的是在不同强度水平风振作用下，有效地控制建筑结构的安全、舒适度，明确的不同性能水准，从使建筑物在整个生命周期内，在遭受可能发生的风振作用下，总体费用达到最小的目标。

与传统的抗风设计不同，该理论是由业主先给出所期望的结构抗风性能水准，工程师在该要求下，采用与国家规范不相抵触的结果来完成设计。

2.结构风振性能水准

（一）风振系数。风振系数是我国现行荷载规范的一个重要系数，该系数的值对风载值有较大的影响。

（二）人体舒适度。在侧向力作用下，高层结构发生振动，当振动达到某一限值时，人们开始有某种不舒适的感觉。人体舒适度可分为无振感、轻微振感、中等振感、烦恼、非常烦恼和无法忍受六个等级。

（三）结构风振性能水准。性能水准是针对所设计的建筑物，在可能遇到的特定风振作用下所规定的最大容许舒适度或最大容许破坏。该指标应从舒适度和变形两个方面综合确定。

3.结构性能目标

性能目标是指对所设计的建筑物在设计风压等级下所要求达到的性能水准的总和。需综合建筑物的使用要求、功能要求的重要性、经济性等诸多因素来考虑。

4.结构抗风计算

（一）理论计算。计算分析首先要在分析模型中考虑结构的线性与非线性恢复力特性；其次，选取合理的计算方法对有效的模拟风场并进行风振的动力时程分析；再次，根据不同的性能目标选取合理、快捷的分析方法；最后，发展简单实用的计算方法，减小计算量，加强前后处理软件程序的开发和应用。

（二）风洞试验。风洞试验是一种测量大气边界层内风对建筑物作用大小的有效手段。高楼可能造成很强的地面风，对地面造成很大的影响；当附近还有其他高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害，这些都可以通过风洞试验进行分析。

5.结构抗风性能的安全评价与社会经济评价

完成抗风分析之后，必须对结构的抗风舒适性与安全性进行评价，以证实符合所选定的性能目标。结构抗风反应量化参数必须符合性能目标与相关准则，满足业主和社会所要求的强度、刚度、舒适度等性能要求以及经济指标。

五、降低结构风振相应的措施

目前超高层建筑抗风措施主要有气动措施、结构措施与机械措施三种方法。

1.气动控制法

气动措施可分为被动控制，半主动控制与主动控制。

半主动控制与主动控制需要外界能量，通过改变气动措施的状态或向风场中吹气来改善结构周围的流场，特别是控制流动分离，从而减小流体作用在结构上的风力。但由于流体分布的随机性，导致这类措施很难用于工程实际。

被动气动控制，即通过改变建筑的外形以减小建筑的风荷载与风致效应，是一种常用并且十分有效的措施，并且可以与建筑设计相结合。气动措施用于建筑的方案设计阶段，基于风对超高层建筑的作用机理，能从根源上减小结构的风荷载与风致效应。

2.结构控制法

通过增强结构本身的抗风性能来抵抗风荷载的作用，即通过提高结构本身的强度和刚度，由结构本身储存和消耗风振能量来抵御风荷载。这种传统的抗风设计方法，不一定安全，也很不经济，失去了轻质高强材料本身的优势。仅用于结构设计阶段。

3.机械控制法

机械措施是通过在主体结构上添加辅助阻尼系统来减小结构的风致响应，比如台北101大厦与上海环球金融中心都在其顶部设置调谐质量阻尼器来控制结构顶部的位移与加速度，以满足结构强度、刚度与舒适度的要求。机械措施也可以用来提高建筑的抗震性能。

调谐质量阻尼器系统是结构被动减振控制体系的一类，它由主结构和附加在主结构上的子结构组成。其中子结构包括固体质量、弹簧减振器和阻尼器等，具有质量、刚度和阻尼，由于这种系统是利用调整子结构的动力特性来减小结构的动力特性的，而不是靠提供外部能量，故称为“被动调频减振控制体系”。

TMD在控制结构振动方面是一种有效的减振装置。它具有简洁、可靠、有效以及低成本等优点，倍广泛的应用到高层结构以及的土木工程结构的振动控制中，尤其是高层建筑，电视塔以及桥梁结构的抗风设计。

随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，在不少地区，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。此外，国际工程界对超高层建筑上的风速、风压测试工作也非常重视，在某些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪，进行长期的测风测振工作，积累了一定的数据。我国在在基于性能的抗风设计方面的研究尚属空白，迫切需要加快发展。

六、结束语

总而言之，高层建筑结构在设计的过程中，不可忽视抗风设计，必须要从高层建筑结构的特点出发，进行合理有效的抗风设计工作，进而提高高层建筑结构的设计水平。

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