高层建筑风载荷及抗风设计研究

2015-12-25陈敏文

建筑设计管理 2015年2期

关键词：抗风边界层风压

陈敏文

（海峡（福建）交通工程设计有限公司，福州 350004）

高层建筑风载荷及抗风设计研究

陈敏文

（海峡（福建）交通工程设计有限公司，福州 350004）

随着城市现代化建设进程的加快以及新型轻质高强度材料的应用，城市建筑越来越高，这导致的直接结果是建筑结构的固有频率越来越低，自身阻尼也逐渐变小，在受到强风作用时会发生破坏，危害到生命财产安全。因此风载荷对建筑结构的影响越来越大，成为超高建筑结构的主要控制研究载荷之一。所以，对高层建筑进行风载荷研究进而对其进行抗风设计很有必要。

高层建筑物；风载荷；抗风设计

0 引言

现代建筑理念的改革创新和施工技术的进步使得现代高层建筑物高度更高，数量更多。国际上最高的建筑物是高达828 m的哈利法塔，国内最高的建筑物是高达660 m的深圳平安国际金融大厦。而且，我国还是台风高发区域，每年风灾造成的损失巨大。比如2006年的15级台风“桑美”，主要影响台湾、浙江等地，大面积摧毁房屋，直接造成500多人死亡和25亿美元的经济损失。我国是发生风灾非常频繁的国家，尤其沿海地区经常遭受台风袭击，内陆也常常出现龙卷风。但是设计人员对于房屋的抗震设计、抗风设计并不重视，专门研究风工程的人员和团队也较少，所以加大对风工程研究的物资和人员投入迫在眉睫。

1 大气边界层风特性

风是空气对于地球表面的相对运动，相对于地球表面运动时会有地表摩擦力作用产生过阻力，当超过一定高度时，此影响就可以忽略。我们就称此受摩擦力影响的高度范围为大气边界层厚度，用δ表示。由于大部分建筑物的顶端都处在大气边界层以内，因此对于建筑结构风工程的研究主要在大气边界层内进行。

1.1 平均风速剖面

平均风速剖面方法在研究风速变化时经常使用，属于微气象学研究的范畴，研究方法主要使用对数律和指数律两种模型。

1.1.1 对数律

对数律模型当前较为准确和理想，表示大气最低层的强风风速外形轨迹，表达式如下：

式中：v（z′）——z′高度处的平均风速；

v*——摩擦速度；

k——卡曼常数，一般取0.4；

z′——有效高度；

z0——地面粗糙长度。

模型由理论推导得到，参数通过经验确定或者观测统计得到。通过计算分析，在高度100 m内用对数律模型模拟较为合适，超出这个范畴，结果会偏保守。强风情况下，对数律模型可以超出100 m范围，适用范围可以高达200 m。

1.1.2 指数律

指数律函数是指平均风速随着高度变化的数学模型，即：

式中：α——地面粗糙指数。

在建筑结构工程的应用中，因为指数律计算较为便捷，所以常常使用指数律模型进行计算。我国荷载规范就是采用了表达式2，并给出4类对面粗糙度类别以及相对应的梯度风高度和指数所确定的风剖面。如表1所示。

表1 我国地面粗糙度类别及描述

1.2 基本风速

在标准条件下，观测某地区风速，然后统计分析数据得出的此地区最大的平均风速就叫做基本风速。这里的标准条件具体指B类粗糙度、10 m高度、10 min风时距、50年重现期和极值I型分布的概率分布函数。下面对重现期和概率函数分布加以解释。

1.2.1 重现期

假设12个月是一个自然周期，取一个自然周期中最大的平均风速作为数学样例。经过一段时间，就会出现一个大于最大平均风速的速度，其中这个间隔期就叫做重现期。

假设重现期为N年，则在任何一年中风速高出平均风速的概率为1/N。那么不能超过平均风速的概率为：

我国的基本风压是按照重现期50年设计的，通过上式，如果重现期为50年，得出概率为98%。对于十分重要的建筑结构，应该把重现期提高至100年。

1.2.2 平均风概率分布

对于不出现异常的气候，称为良态气候。对于良态气候，采用极值I型分布函数统计分析基本风速。表达式如下：

式中：α——尺度参数；

β——位置参数。

位置参数值如式（5）

αx——根方差。

利用式（4），经过变换，可以得到：

式中：x1——基本风速；

F1——小于基本风速x1的概率。

F1与T关系如下：

将式（5）得到的α和β带入式（6）中，可写成：

式中：x1——基本风速。

ψ为保证系数，表达式如下：

1.3 基本风压

在工程计算中常常需要计算风压，这就需要把风速转换成风压。根据伯努利方程可以得到：

式中：w1——单位面积上的静压力；

ρ——空气密度；

v——沿某一流线的风速。

则可以将基本风速v0转换成基本风压w0，即：

2 脉动风特性

2.1 湍流强度

湍流强度是大气湍流度的基本参数。其纵向分量比其他两个正交方向上的瞬时风速分量大得多，所以我们只关心纵向分量即顺风向湍流强度，其关系式为：

式中：I（z）——z处的湍流强度；

σ（vfz）——顺风向（即纵向）脉动风速根方差；

Z值越大，σ越小，平均风速越大，I（z）的表达式为：

式中：I10——10 m处的名义湍流度。

I10对应表1中4类地貌取值分别为0.12、0.14、0.23和0.39。

2.2 湍流积分尺度

一点的气流脉动由无数个漩涡组成，每个漩涡都能引发周期脉动，圆频率为w=2πn，其中n为频率。漩涡波长记为λ=u/n，u为风速，则漩涡波数K=2π/λ，波数即为涡旋的大小量度。

由随机变量y和z的相关系数定义湍流尺度：

式中：ρ（r）——相互关系数，可了解到涡团在空间的布局；

r——两点间的距离。

3 风对高层建筑的作用

3.1 钝体建筑物迎风面风压分布

在钝体建筑物的迎风面，气流流过时都有向外侧流动的趋势。图1（a）、（b）两图表示，在建筑物高度的大约2/3处，存在一个大气停滞点FS，气流从此处向外流动扩散。在FS点之上，流动上升至越过顶面，在FS点以下，流动向下流向地面。图1（c）为建筑物的迎风面风压系数的等值线图。

图1 建筑物迎风面风压分布

3.2 钝体建筑物边界层分离

空气具有黏性，气流经过建筑物表面时会形成一层流动薄层，称边界层。再加上空气有惯性作用，黏性和惯性是影响气体流动参数的两个关键因子。雷诺数Re表示惯性力和黏性力的比值，表达式如下：

式中：ρ——空气密度；

v——来流速度；

μ——空气黏性系数；

l——建筑物表面特征尺度。

Re值较大时，惯性力为关键作用力；Re值较小时，黏性力为关键作用力。

流体沿建筑壁面向后流动时，由于黏性应力的存在，速度会逐渐减小，则静压会增加。在正压梯度的作用下，流体继续减速，最后流动不足以让流体继续流动，在阻力作用下产生逆流，最终形成边界层分离。

4 高层建筑抗风设防标准

第一层次的抗风性能的主要指标是高层建筑结构的振动感和生活的舒适度。抗风性能的第一层标准主要指标是高层建筑结构的振动信号和住房的舒适度。第一层标准的风灾烈度较小，用重现期为1～5年的设计风速来确定相应风载荷。第二层次对应的是重现期为10年的设计风速。这个标准一般用于限制建筑物在台风下的振动烈度。这两个标准在传统结构设计中还没有对应的设计方法。在结构设计中可以对建筑物结构外形进行气动外形优化，或者利用高层建筑物自动化结构设计方法来实现抗风设计。第三层次包括建筑物结构强度、位移和稳定性的结合。对应风灾烈度一般为50年或者100年重现期下的基本风压。总结见表2。