高层建筑结构设计中的风荷载

 　    随着现在建筑美学的发展和使用功能的要求，现代建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展。因此在结构设计中风荷载越来越重要，有时至起决定性的作用。该文主要阐述作用在结构上的风压、风力和风振系数、高层建筑结构风振系数和风振响应的精确方法，并介绍了高层建筑的风振控制的多种方法。 

　　目前世界上正在经历着史无前例的高层、超高层建筑建设高峰。芝加哥西尔斯大厦（Sears tower）曾以443m的高度稳坐世界最高建筑物宝座26年。而现在世界上，拟建、在建和已建的400m以上的结构有37栋，尤以正在建造且已超过700m的迪拜大厦（Burj Dubai）为首。发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念。随着结构高度的增加和高强材料的使用，低阻尼、高柔结构的风振响应更加显著，使得强风作用下的结构风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载。 

　　从Davenport最早将随机概念和方法引入建筑结构的抗风研究30多年以来，在建筑结构的顺风向荷载及响应的研究方面，已逐渐形成比较完善的计算理论和方法，主要成果也反映在多数国家的建筑结构荷载规范中。 

　　风的特征及风压 

　　风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性，从而在地球相同高度的两点之间产生压力差，这样使不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动，便形成了风。 

　　大量的统计资料表明，近地风的平均风速随着高度的升高而增大，同时对应于不同的地面粗糙度具有不同的变化规律。通常可采用风速剖面来描述平均风。平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种方法。目前，气象学家认为用对数律表示大气底层强风风速廓线比较理想，其表达式为 

　　式中——大气底层内 高度处的平均风速； 

　　——摩擦速度或流动剪切速度； 

　　K——卡曼（Karman）常数，k 0.40； 

　　——地面粗糙长度（m）； 

　　——有效高度（m）： 

　　=， 

　　其中z——离地高度（m）； 

　　——零平均位移（m）。 

　　风压是建筑结构设计中的基本设计依据之一，其取值的大小对高层（高耸）和大跨度结构的安全性、适用性、耐久性及是否经济有密切的关系.基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地比较离地10m高统计所得的50年一遇10min平均最大风速、按确定的风压。基本风压值不得小于0.3kN/m2。我国不同城市和地区的基本风压直接查用《建筑结构荷载规范》的全国基本风压分布图。当城市或建设地点的基本风压不能查收时，基本风压值可根据当地年最大风速资料，按基本风压定义，通过统计分析确定。 

　　风荷载的计算 

　　风力的计算。风荷载是结构设计的重要荷载，在工程计算中，常采用集中风荷载 

　　式中，为顺风向z高度处总静力风荷载；为顺风向z高度处静力风荷载；为顺风向z高度处风振动力风荷载。 

　　式中，Az为垂直于建筑物表面上平均风荷载受风面积（m2）； 

　　为风荷载体型系数； 

　　为风压高度变化系数； 

　　为基本风压。 

　　风振系数的计算。风振系数。在结构设计中，习惯用等效静力风荷载来考虑风的动力效应。而等效静力风荷载可以用静力风荷载和风振系数的乘积表示，所以对风振系数的研究就显得尤为重要。常用的风振系数有荷载风振系数和位移风振系数。荷载风振系数定义为节点静动力风荷载的总和与静力风荷载的比值，即：位移风振系数定义为节点静动位移的总和与静位移的比值，即： 

　　位移风振系数定义为节点静动位移的总和与静位移的比值，即 

　　式中，u、和分别为总风响应、平均风响应和脉动风响应。 

　　高层建筑结构的风振计算。我国的《建筑筑结构荷载规范》（GB50009-2001）规定：对于构筑物，当高层（高耸）建筑和大跨度屋盖自振基本周期T≥0.25s时，或对于建筑物，当高度超过30m且高宽比大于1.5时，（对于厂房，跨度在36m以上）建议考虑风振影响。对于T≥0.25s的构筑物和高度小于30m或高宽比小于1.5的房屋建筑，以及小于上述跨度的屋盖，虽然也存在少量风压脉动的影响，但此时往往按构造要求进行设计，结构有足够的刚度，因而一般不考虑风振影响。然而，随着我国建筑的飞速发展，很多建筑结构都进入了要考虑风振的影响的行列。我国规范给出了高层结构顺风向的风振系数。在z高度处的风振系数zb的计算公式如下 

　　。 

　　式中分别为脉动增大系数、脉动影响系数和振型系数，三者可以查规范的表格得到。zm为风压高度变化系数。 

　　高层建筑风振控制 

　　高层建筑的风振控制有多种方法，包括调频质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）、调频液柱阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLCD）、调频液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLD）、挡风板（Aerodynamic Appendays）控制、锚索控制、粘弹性阻尼器一类的耗能构件控制等，其中，调频质量阻尼器、挡风板控制和锚索控制等又分主动控制和被动控制，本文只对调频质量阻尼器和调频业主阻尼器和粘弹性阻尼器等比较常见的被动风振控制方法进行介绍。 

　　调频质量阻尼器（TMD） 

　　调频质量阻尼器在实际高层中已得到应用，例如1977年在美国波士顿约翰汉考克大厦（John Hancock Tower，Boston）和1978年在纽约西蒂柯布中心（Citicorp Center，New York）分别安装了调频质量阻尼器，西蒂柯布中心安装的调频质量阻尼器系统。 

　　调频液柱阻尼器（TLCD）。调频液柱阻尼器是一种U型的管状水箱，并在水平管得中不设置格兰，为的是增加阻尼。U型的管状水箱安装固定在建筑物的顶部。当建筑物在风荷载作用下运动时，水箱将一同运动一同运动，致使水箱中的水晃动，水晃动产生的惯性力对水箱壁的作用就形成了对建筑物的减振力。 

　　粘弹性阻尼器。正如减速器能使门的关闭速度减缓那样，在高层建筑物内部安装粘弹性阻尼器，同样能达到减小结构物摆动的目的。粘弹性阻尼器已成功地应用于美国纽约世界贸易中心（110层）和西雅图哥伦比亚中心（77层）等大楼中。 

　　在高层建筑和大跨度建筑结构设计中，风振响应和风振系数是计算的重点和难点之一。我国的规范提供高层高耸结构在顺向风效应的风振系数的计算方法，这一方法不太适用于复杂高层建筑和大跨度建筑。因此，在复杂的高层建筑和大跨度建筑设计时，风荷载的确定需要采用其它更精确的方法来确定。