高层建筑结构的抗风设计

李奕宽

引言

建筑物的抗风设计效果对建筑物的使用有很大的影响，我们要能够针对建筑物的抗风设计方法来进行相关的优化，可以采取加强基础设计、设置耗能减震系统、增大结构的水平荷载能力和提高建筑物的承载力和刚度等方法来保证建筑物的正常安全使用。

1 高层建筑结构的抗风设计原则

在建筑的设计过程中，要保证结构具有足够的强度，能够承受风荷载作用下的内力，保证建筑物的正常使用。在建造过程中，要选择合理的结构体系和建筑的结构外形；在建筑材料的选择上面，要尽量选用刚度较大的材料以减少风力荷载作用的影响。同时在建筑方面，圆形和正多边形有利于减少风压的数值，尽量采取有一定规范化的形状和建筑结构，这样可以减少风力的扭转影响。同时，在外墙部分，要能够保证有较大刚度的维护措施以保证墙体结构的可靠的连接，避免出现墙体的破坏。

2 高层建筑结构抗风设计的内容

2.1 风荷载的计算

根据我国建筑结构可靠度设计统一标准，在风荷载容易的过程中使用的是50年设计基准期，同时使用平稳二项随机过程对荷载的随机过程进行表述。如果气流碰到建筑物，在建筑物的表层面上会出现压力，或者出现吸力，具体来说就是产生风荷载，近地风的性质、风速和风向都会对风荷载的大小产生影响，同时建筑的高度、形状和地表面都会对风荷载的大小产生影响。按照新规范，在计算主体结构时，如果风荷载垂直于建筑物表面，则其标准值的计算公式如下所示，将垂直于风向的最大投影面积的作为风荷载的作用面积：Wk=βzμsμzW0，在这个公式中，Wk主要指的是风荷载标准值（kN/m2）；W0主要指的是基本风压（kN/m2）；μz主要指的是风压高度变化系数；μs主要指的是风荷载提醒系数；βz的范围主要指的是高度处的风振系数。

2.2 加强高层建筑的控制

根据风荷载的作用，要加强控制高层建筑的振幅、振动速度和加速度。

2.3 高层建筑的水平位移指标

按照正在使用的建筑结构设计标准，要从以上两个方面限制高层建筑结构在风荷载作用下的变形响应：一方面，对高层建筑结构的顶端水平位移u和总高度H的比值（u/H）进行限制，主要目的是对结构的总变形量进行控制；另一方面，是要对相邻两层楼盖间的相对水平位移Δu与层高h的比值（Δu/h），通常情况下，Δu/h在结构的各层中的比值是不一样的，并且一般情况下，量大的Δu/h要比u/H的限值要大。对Δu/h进行限制的主要目的是避免破坏填充墙和装饰部件，防止电梯轨道和管道等设施出现过大的变形现象。

3 高层建筑结构抗风加固的方法

3.1 增大截面法

通过对建筑物的结构面积的扩大建设，能够提高建筑物的承载能力和截面高度，可以通过改变建筑物的自振频率的方法，来减小建筑物结构的动力风荷载的效应。这种方法主要用于加固建筑物之中的梁、板和钢结构的柱子及建筑物的屋架以及相关的砖墙和砖柱等部分的加固。这种方法可以有效地增加建筑物结构的自身重量，但是同时也会相应地减少使用空间。

3.2 外包钢加固法

外包钢加固法，这是在建筑物结构的四周进行以型钢来进行加固。这种方法有干式外包钢和湿式外包钢两种形式。这种方法的实施原理就是在保持原有构建的截面尺寸不变的情况下来提高建筑构件的承载力和刚度，主要适用于一些混凝土浇灌的柱子和屋架以及砖墙等结构构件。这种方法的弊端是用钢量较大，而且维修费用也比较高。

3.3 预应力加固法

在建筑结构的抗风加固的方法之中，还可以采用预应力加固法，这种加固方法的原理是采用预应力钢拉杆来对建筑结构进行加固，是在不改变原有使用空间的条件下，来提高建筑构件的承载力。主要适用于受弯构件以及混凝土浇灌的柱子和屋架等构件的加固。加固效果良好，发展前景广阔，但是增加了施加预应力的工序和机械设备。

3.4 改变受力体系加固法

通过改变建筑物的受力体系，并通过在建筑物的构件合理位置增设承重支点和采用托梁拔柱的方法改变建筑物的结构的受力体系，能够提高建筑物的结构构件的承载力，可以有效地减少建筑物的整体承重力和以减少裂缝宽度。这种方法主要用于跨度较大的建筑物结构。

3.5 外部粘钢加固法

这种方法的原理主要是通过用胶黏剂在构件外部粘贴钢板的方法，这种方法不改变构件的外形和使用空间，同时能够提高构件的承载能力，而且能够保证建筑物的正常使用。但是对施工工艺的要求较高，所要求的专业技术比较稀缺。

4 高层建筑结构抗风舒适度的可靠性分析

在实际的情况中，风对高层、高耸结构的安全性和适用性两个方面产生直接的影响，而结构可靠度理论主要是对结构的安全性、实用性和耐久性进行研究。所以要对风荷载作用下高层、高耸结构的抗风可靠度进行研究，进而保证高层、高耸结构抗风设计和风振控制工作的顺利实施。在侧向力作用的影响下，高层结构会出现振动的情况，如果振动处于某一限值时，人们就会感觉不舒适。因为建筑高度在不断的变高、建筑结构体系在不断的完善等等因素的影响，使得高层建筑结构呈现着越来越柔和的趋势，此外，风作用发生的频率越来越高，高层建筑设计和控制的重要因素逐渐的变成舒适度。高层和超高层建筑钢结构因为高度的快速增加，结构振动阻尼变得越来越小，风荷载对高层建筑的作用越来越大，因此高层建筑钢结构在设计的过程中首先要考虑风运动的人体舒适度。为了更加科学和合理的对高层建筑结构的舒适度和结构设计进行研究，有必要从可靠性角度分析舒适度。

5 结束语

随着经济的迅速发展和城市规模的不断扩大，在城市中涌现出越来越多的高层建筑。作为高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高，重视结构试验研究成果，结合施工实践，通过大量工程经验的积累，作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。

[1]黄铭枫.基于风振性能的高层建筑抗风设计优化[J].工程力学，2016（2）：240～246，253.