高层建筑结构风振效应及控制研究

辛立凤

高层建筑结构风振效应及控制研究

辛立凤

（广西科技大学鹿山学院土木系 广西柳州 545616）

风对高层建筑结构的影响，是结构设计中一个重要的内容。本文将针对传统的抗风设计方法，深入研究高层建筑结构风振效应的特征以及控制措施，以供相关从业人员借鉴学习。

高层建筑；风振效应；风振控制

随着高强度材料在高层建筑的广泛应用，给高层建筑结构设计造成一定的影响，首先，高强度材料逐渐代替了传统的黏土砖、混凝土等笨重材料，这在一定程度上节约了高层建筑的施工成本，但化学建材阻尼较小，刚度也远远不如传统施工材料，因此当高层建筑受到外来作用的冲击的时候，结构反应势必增大，影响到高层建筑的稳定性，因此本文将研究高层建筑结构的风作用与风振效应的通知研究。

1 高层建筑的风作用以及结构设计

1.1 高层建筑结构的风作用

风对高层建筑结构的影响主要可划分为两个部分，分别为风荷载与风响应。风荷载是建筑结构设计时要考虑的结构荷载，包括静荷载与动荷载。[1]风荷载与高层建筑周围的基本风压和高度有着直接联系，因此相关工作人员确定高层建筑结构的风荷载的最好办法是进行风洞试验，通过实验结果，确定高层建筑风荷载的基本系数，为后续的风振效应的控制工作提供便利。而风响应依照结构的不同可分为顺风向相应和横风向相应，考虑到高层建筑的安全性与舒适性，相关从业人员要深入研究高层建筑结构构件的内力，从而在实践中解决高层建筑结构设计的风相应问题。此外，研究建筑结构的风响应问题的最好方法是通过风洞试验，考虑到高层建筑结构在空气阻力阻尼作用下产生的自激振动，以此为基础，展开高层建筑结构风振效应的控制研究。

1.2 风作用下的结构设计

与地震作用相比，风作用是一种复杂的影响，且持续时间较长。因此相关设计人员需要在设计的过程中，考虑高层建筑在风的持续作用下，会不会出现坍塌、墙面开裂以及变形的现象，并通过结构的设计，满足高层建筑的安全性和舒适性的基本要求。因此结构设计必须要计算高层建筑的风压高度变化系数以及风振效应系数，并根据实验的结果进行高层建筑结构的抗风设计，从而满足高层建筑结构的强度要求。[2]同时，结构在风作用下必须满足高层建筑的刚度设计要求，从而在应对突如其来的地震作用的工作中，保证高层建筑结构构件不会因为位移过大而损坏。而从舒适度的角度来考虑，持续的风作用会给高层建筑的住户以心理角度的不适感，从而影响高层建筑住户的用户体验，因此在进行高层建筑结构设计时，要将风作用对人体的舒适度考虑在内，包括计算风作用下高层建筑结构的振动频率、振动加速度以及振动持续时间，并研究二者之间的关系，从而使高层建筑的结构设计达到建筑舒适度的基本要求。

2 风振控制的相关措施

2.1 耗能减振系统

耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成耗能元件，从而在风作用时，阻尼器能够产生较大的阻尼来耗散能量，使高层建筑结构反应减小。通常来说，高层建筑的耗能减振系统是由耗能剪力墙与阻尼器减振系统组成。此外，耗能减振系统还能通过耗能支撑，为高层建筑提供良好的支撑效果，因此耗能减振系统不但作为风振控制的重要措施，在英美等发达国家，耗能减振系统还通常所谓高层建筑的一个重要的加固措施，因此被广泛的应用，拥有良好的市场前景。

2.2 吸振减振系统

吸振减振系统利用高层建筑的附加结构，将结构的风振效应转移，从而减小风振效应对高层建筑的影响，是一种高效的风振效应控制技术。减震吸震系统主要的装置有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器两种，都是利用将振动能量分解为主结构和子结构两个部分的原理，达到减少结构风振反应的效果。调谐质量阻尼器通常是由质量块、阻尼器、弹簧组成的风振系统。将高层建筑的原结构中，加入TMD系统，从而有效的衰减结构中的动力反应，由于其动力特性的优势。调谐质量阻尼器被广泛的应用于桥梁工程、高层建筑工程的风振控制工作中，具有良好的应用效果。此外，调谐质量阻尼器能够产生一种控制力，减少高层建筑的平均减震系数，这在一定程度上增加了高层建筑结构的稳定性，提高其抗震抗风的能力。调谐液体阻尼器系统的概念由日本提出，通过固定容器中液体的运动来吸收和消耗结构的振动能量，调谐液体阻尼器的优势在于成本低，安装简便，并且易于维护，这给调谐液体阻尼器的广泛应用创造了便利的条件，在调谐液体阻尼器的实测之中，其实验结果也完全满足高层建筑结构风振效应控制的要求，能够在最大限度上减少结构反应。此外，调谐体液阻尼器还能够增加高层建筑底层的剪力效应，因此适用于沿海的台风多发地区。[3]

2.3 混合控制

混合控制是将主动控制与被动控制相结合，将两种方式施加在同一高层建筑的结构上，以期获得良好的结果。例如在沿海的地震多发地区，一方面，高层建筑受到台风的威胁，对建筑结构的抗风能力要求较高。另一方面，高层建筑受到地震的威胁，对建筑结构的底层剪力的要求较高，这个时候，需要进行高层建筑结构风振效应的混合控制，既增加高层建筑的抗风能力，由增加高层建筑结构的抗震能力，因此要求相关工作人员根据高层建筑结构的实际需求，让耗能减振系统与吸振减振系统相结合，达到良好的防风防震效果。[4]

3 结语

综上所述，高层建筑结构风振效应控制工作，需要从实际出发，实事求是的进行抗风抗震设计，以减少结构反应为目的，选择合适的风振效应控制的措施，从而提高高层建筑的安全性与稳定性。

[1]蔡洪昌.考虑脉动风和耦合效应的高层建筑结构风振CFD数值模拟[D].哈尔滨工业大学，2012.

[2]黄剑，顾明.超高层建筑风荷载和效应控制的研究及应用进展[J].振动与冲击，2013，10：167～174.

[3]黄超，韩小雷，季静.高层建筑结构风振控制方法研究初探[A].天津大学.庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津大学，2008：5.

[4]欧进萍，张微敬.高层建筑结构的风振阻尼控制分析与设计方法[J].建筑结构学报，2003，06：32～37+86.

TU973+.213

A

1004-7344（2016）33-0336-01

2016-9-18

辛立凤（1986-），女，河南焦作人，广西科技大学鹿山学院土木系讲师，硕士研究生，研究方向为结构工程。