建筑結構中抗風設計原則與方法

摘要:建筑工程受到風的自然特性、結構的動力特性以及風和結構的相互作用的制約.本文闡述高層建筑受風荷載的影響效應和抗風設計中風振系數、水平位移等參數的正確選取等問題，可為高層建筑抗風設計提供參考，目前工程數值仿真技術的發展已為抗風設計研究提供了有利保障。風荷載是高層建筑所承受的主要側向荷載之一結構抗風分析包括風荷載、內力、位移、加速度等是高層建筑結構設計中的重要環節.

關鍵詞:建筑工程;風振系數;水平位移;風荷載

一、建筑結構風荷載與風振系數分析

風對建筑物的作用是不規則的，風壓隨風速、風向的紊亂變化而不停地改變。通常把風作用的平均值看成穩定風壓或平均風壓，實際風壓是在平均風壓上下波動的。平均風壓使建筑物產生一定的側移，而波動風壓使建筑物在該側移附近左右振動。對于高度較大，剛度較小的高層建筑，波動風壓會產生不可忽略的動力效應，在設計中必須考慮。目前采用加大風荷載的辦法解決這個動力效應問題，在風壓值上乘以風振系數。結構上的風荷載可分為兩種成分:平均風和脈動風。對應的，風對結構的作用也有靜力的平均風作用和動力的脈動風作用。平均風的作用可用靜力方法計算，而脈動風是隨機荷載，它引起結構的振動，一般采用隨機振動理論對其振動進行分析。

風振系數是指結構總響應與平均風壓引起的結構響應的比值。對于風振系數，高度小于30m的單層工業廠房仍可按以往實踐經驗不考慮風振系數，陣風系數是考慮到瞬時風較平均風大而乘的系數，一般是陣風風速與時距10min的平均風速之間的比值。對于陣風系數，現行規范提供的陣風系數主要是對高層建筑的玻璃幕墻結構參考國外規范而加以制定的，但低矮房屋是否合適，仍需通過今后的設計和科研實踐給以完善。

風荷載計算，是根據美國有關設計手冊中的試驗資料確定，更能符合實際，風荷載影響較大的結構一般都要考慮風振系數，具體如何取值只能參考以往的相關類似工程。對于屋蓋結構(如大跨度的看臺)不應當成“圍護結構”而只考慮陣風系數建筑水平位移觀測點的位置應選在墻角、柱基及裂縫兩邊等處。標志可采用墻上標志，具體形式及其埋設應根據點位條件和觀測要求確定。

二、建筑結構中抗風設計原則

空氣的流動形成風，風作用在建筑物上，使建筑物受到雙重的作用:一方面風對建筑物產生一個基本上比較穩定的風壓力;同時又使建筑物產生風力振動(風振)。因此風力使建筑物既受到靜力作用，又受到動力作用。

(一)高層建筑結構抗風分析

風速在不同的地區是不一樣的。在沿海、山口等地方風速大，在城市中心風速會小一些。在我國的《建筑結構荷載規范》中，已經給出了各城市、地區設計用的基本風壓，這個基本風壓是以各地氣象臺站多年的氣象觀測資料為依據，取當地30年一遇的、10m高度上的10min平均風壓值來計算的。對于高層建筑物，風荷載是主要荷載，宜采用50年一遇的風力更為妥當，所以，在高層建筑抗風設計中應采用將荷載規范給出的基本風壓值乘以系數1.1的值。

離地面越高，空氣流動受到地面摩擦影響越小，風速越大，風壓也越大，風壓隨高度變化呈指數規律變化，增長程度與地面粗糙度有關。目前規范將地面粗糙程度分為三類:A類:海面;海島、海岸、湖岸、沙漠地區;B類:田野、鄉村、丘陵、房屋比較稀疏的中小城鎮和大城市郊區;C類:有密集建筑群的大城市市區。

高層建筑主要位于B，C兩類地區。高層建筑主要位于B，C兩類地區。荷載規范給出的基本風壓是10m高度上的，不同高度上的風壓要乘以高度系數。風壓在建筑物上的分布是非常復雜的，取決于其平面形狀、立面體型和高寬比。一般用體型系數來反映風對建筑物的作用。通常，在建筑物的迎風面產生風壓力，側風面和背風面產生風吸力。這些風壓力和風吸力在建筑物表面的分布也是不均勻的，在迎風面上沿中軸線風壓值最大，在背風面和側風面靠近角區風吸力最大。

(二)高層建筑物抗風設計原則

在高層建筑的抗風設計中，應考慮下列問題:保證結構具有足夠的強度，能可靠地承受風荷載作用下的內力;結構必須具有足夠的剛度，控制高層建筑在水平荷載下的位移，保證良好的居住和工作條件;選擇合理的結構體系和建筑外形。采用較大的剛度可以減少風振的影響;圓形、正多邊形平面可以減少風壓的數值;盡量采用對稱平面形狀和對稱結構布置，減少風力偏心產生的扭轉影響;外墻、玻璃、女兒墻及其他圍護構件必須有足夠的強度并與主體結構可靠地連接，防止局部損壞。

三、建筑結構中抗風設計方法

根據風對建筑物造成的破壞來分析，我們的抗風設計要求必須保證結構在使用過程中不出現破壞等現象，主要涉及以下幾個方面:

結構抗風設計必須滿足強度設計要求，也就是說結構的構件在風荷載和其他荷載共同作用下內力必須滿足強度設計的要求。確保建筑物在風力作用下不會產生倒塌、開裂和大的殘余變形等破壞現象，以保證結構的安全。

結構抗風設計必須滿足剛度設計要求，也就是說要使結構的位移或者相對位移滿足有關的規范要求，以防止建筑物在風力的作用下引起隔墻的開裂、建筑裝飾和非結構構件因位移過大而損壞。高層建筑的強度和剛度都可由結構頂部水平位移或結構層間相對水平位移來控制。對于不同的結構和隔墻類型，其值差別也較大。頂部水平位移或結構層間相對水平位移界限值分別由頂部位移與結構高和層間相對位移與層高的比值來決定。

結構抗風設計必須滿足舒適度設計要求，以防止居住者和工作人員在風力作用下引起的擺動造成的不舒適。影響人體感覺不舒適的主要因素有振動頻率、振動加速度和振動持續的時間。由于振動持續的時間取決于風力作用的時間，結構振動頻率的調整又十分困難，因此一般采用限制結構振動加速度的方法來滿足舒適度的設計要求。根據對人體振動的舒適界限標準可得到結構舒適度的控制界限。當然在具體選擇舒適度的控制界限時是應根據結構層的不同使用功能來定。

結構抗風設計滿足疲勞破壞設計要求，風振引起高層建筑結構或構件的疲勞破壞是高周疲勞累積損傷的結果。結構或構十的疲勞壽命由實驗或統計分析得到的S-N曲線決定。S-N曲線的解析表達式為NSm=C，式中S為響應水平，N為在響應水平S下結構或構件疲勞失效的循環次數，m、C為經驗參數。

四、我國建筑結構中抗風設計的發展

我國目前的建筑結構技術、大跨度空間結構技術等已達到或者已接近國際先進水平。隨著經濟持續快速發展和城鎮化進程的加快，我國已成為建筑結構和大跨度空間結構的大國。在一些高層和超高層建筑的設計、建造過程中，我國的科研、設計和施工水平不斷提升。從單純的學習，到逐漸掌握再到創新，完成了很多有特色的工程。在高層建筑混合結構這一符合中國經濟發展特色的領域取得了豐富的研究成果和實踐經驗。

風作用在建筑物上雖然沒有地震那么強烈，但由于風的作用極為頻繁，實際上因風對建筑物產生的災害比地震災害大得多。在以后的研究中要考慮到基本風速(風壓)的風剖面的主要因素，然后分析隨機振動理論的風振響應方法，最后分析在風荷載作用下的基底剪力、基底彎矩和頂點順風向水平位移的響應，并找到引起差異的原因。當前，我國工程建設的規模巨大，我們應抓住大規模工程建設的機遇，迎接挑戰，加強研究，加快促進我國由建筑結構大國向強國發展。

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