建筑結構抗風基本理論研究

史明祥

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

0 引言

風是一種自然現象，是相對于靜止的地面由于大氣溫度不均勻分布產生的一種運動。在我們日常生活中，常被提到的有臺風、龍卷風以及熱帶氣旋。

中國在全世界范圍之內屬于風災發生頻繁的國度之一，經常風起東南沿海地帶，逐漸向內地發展延伸，已發生的風災對于人民的經濟產生巨大的損失，通過臺風活動的數據統計分析［1］，發現北太平洋的臺風數量和能量急劇增長，會增加臺風發生的次數以及強度，其給我們的啟示要加強抗風理論的研究，特別是建筑結構的抗風理論研究。

1 建筑結構風荷載對于建筑物的影響

1.1 建筑結構風荷載對于建筑產生振動原因分析

1)一個地區的風向是一定的，在外界條件不發生變化時，是不會發生較大變化的，這種風結構包括平均風和脈動風，其中脈動風的發生主要體現在對建筑結構產生順風向振動，這種振動要在結構設計中特別考慮。

2)建筑結構背后存在的漩渦也會引起結構的振動，方向與風向垂直，尤其建筑結構背后附屬建筑煙囪、高層建筑等細長柱體結構。

3)受其他建筑物尾流影響而產生的振動。

4)由空氣負阻尼引起橫向失穩式振動［2］。

1.2 建筑結構風荷載后果分析

1)結構物或者建筑結構構件發生過大的撓度或變形，使得外墻、外裝修材料發生損壞;

2)風荷載對建筑物產生的振動會使得建筑受到疲勞破壞，嚴重影響建筑結構的使用功能;

3)氣動力會隨著建筑結構氣動彈性的影響逐漸增大;

4)風荷載動力的不斷增大，導致受力增大，影響人類的居住舒適度。

2 抗風基本理論

2.1 基本概念

建筑結構面直接承受風荷載作用，其可能產生的結果效應，是在結構設計中必須要考慮的因素之一，根據風壓荷載作用面積進行分類，具體可以將風荷載效應分為以下幾類:

1)順風向效應;

2)橫風向效應及共振效應;3)空氣動力失穩。

2.1.1 風速分壓的影響

不可壓縮的流體指的是在運動過程中密度不發生變化或者是變化很小的流體，理論分析時將低速運動的空氣可作為不可壓縮的流體看待，其滿足的伯努利方程是:

其中，w為單位面積上的風壓力;ρ為低速運動的空氣密度;v為自由氣流的風速。

2.1.2 基本風速和基本風壓

基本風速和基本風壓一般需要滿足6個條件，分別是標準高度的規定(以10 m為標準高度);地貌的規定(空曠平坦地貌);平均風速的時距(10 min作為取值標準);最大風速的樣本(年最大風速);最大風速的重現期(取大于年平均值很多的某個值來進行抗風設計);最大風速的線性(極值Ⅰ型分布曲線描述)。

2.1.3 風剖面和風壓高度變化系數

現實生活中，不同高度下的風速是不同的，必須掌握不同高度下風速才能準確衡量風荷載的大小，才能設計合理，滿足建筑需求，平均風速沿高度的變化規律，稱為平均風速梯度，即風剖面。風壓高度變化系數即是通過風速沿高度的變化規律和不同地面的粗糙程度確定的風壓高度變化率。

2.2 隨機振動理論基礎

在建筑結構正常使用階段，各種荷載作用下，產生的變化也在不斷的發生變化，可能在不同的時間段產生的同一類荷載的波形也是不同的，我們稱這種荷載為隨機荷載。隨機荷載確定后，可以得知不同時間段的荷載波形是不同的，所以在設計時不能根據已經發生的風荷載進行全部預測做抗風設計，可能會使結構出現嚴重的損害情況，不能保證結構的絕對安全，因此隨機荷載下的抗風設計應該采用統計學或者是概率論的方式進行分析。

2.3 結構抗風分析計算和風荷載公式

對于不同振型的建筑結構風荷載影響會有對應的等效荷載響應，一般按照實際經驗進行測算，高層建筑以及高聳結構屬于懸臂結構類型，抗風分析中按照第1振型進行計算。但是實際中抗風分析中單單考慮一種振型得到的結果是片面的，一般取主要考慮因素的時候，才按照單一振型進行分析。

還有全動力計算方法，該類計算方法主要是針對風或者是脈動風作為主要輸入因素，按照隨機振動理論直接進行計算求出響應方法，是一種較為常用的方法，根據工程實際需求，由隨機振動理論進行求解相應的參數。

若是不考慮風振，則風中只包含平均風，考慮的主要因素是瞬時風速以及風壓對于脈動風的增值影響作用，可以利用等效荷載響應方法進行求解。

此外，在風速達到某一臨界值時，會產生空氣動力失穩現象，風荷載運動會被無限放大，因此在設計時，要特別注意風速臨界值的界定，以免實際結構發生空氣動力失穩。

2.4 荷載效應組合

不同荷載條件下的結構可靠性指標的差異可以用分項系數進行區分，其中永久荷載和可變荷載分別乘以不同的系數進行計算荷載，當結構上施加兩種及以上的荷載時，要選取標準值進行計算，因為不同荷載在同一時刻達到荷載的最大值，這種發生的概率偏小，取其標準值比較合理，通過荷載系數可以得出結果荷載的設計值。

2.5 風荷載作用下的受力變形特點

低層建筑結構，通常取其重力作為豎向荷載的設計控制值(非地震區域)，但是建筑層數的不斷增大，水平荷載不斷增大，逐漸在荷載設計中占據主導，會成為結構設計的主要控制因素，起決定性作用。高層建筑結構的高與寬的比值較大，軸向變形對于結構的總側移變化產生較大的影響，會使得整個框架結構呈現整體彎曲變形。

3 風荷載作用下荷載效應的分析

當混凝土受到拉力和壓力同時作用時，會隨著荷載產生不同的應力，而且不同荷載產生的應力也是不同的，差異較大，彈性變形和塑性變形同時存在，隨著荷載作用的不斷增大，也會使得結構達到其強度極限值，應力開始下降，產生裂縫，這個過程不是簡單的線性變化，比較復雜。

在實際工程中，針對不同的應力變化有不同的應對之策，從實際發生的裂縫方向出發，進行結構設計分析，通過理論以及計算機模擬預測結構的發展方向，以及可能出現的結果，便于更加合理的制定策略，一些常用的分析方法有:試驗分析法;非線性分析方法;塑性極限分析方法;線彈性分析方法以及塑性內力重分布分析方法。

對于高層結構，水平荷載的作用較為主要，一般的計算荷載效應的方法有反彎點法、D值法，隨著計算機的高速發展，普遍被大眾認同的計算方法是有限元法，即矩陣位移法，實現了計算機和結構內力計算的有機結合。