風荷載作用下高層建筑結構設計分析

宋萬鵬

（太原理工大學建筑設計研究院 山西太原 030024）

0 引言

結構地震作用響應主要與場地類別、抗震設防烈度、地震加速度值、地震分組等有關。在平面不規則高層建筑結構中，除考慮地震作用外，還應考慮風荷載作用，即結構抗風行為受力計算分析。結構在風荷載作用下的響應主要與風壓、地面粗糙程度、順風向和橫風向加速度值、結構各段體形系數、結構類型、結構高度、結構迎風面面積等有關[1-3]。

1 風荷載基本特性

風速與高度之間有著緊密的聯系，高層結構設計應充分考慮風速因素對結構的影響。風是空氣中氣壓不均而出現流動現象而導致的結果，不同的建筑高度所承受的風速具有很大的差異，水平荷載中的結構應力和建筑高度二次方之間呈正比關系，可用式（1）表達：

式中：n-指數，與建筑物周邊的環境有關系；Vh-h高度的風速；h0-基準高度，其風速以V0表示，單位m/s。

氣流在空氣中遇到建筑物的情況下，在建筑物的表面位置會出現一定的吸力與壓力，即為風荷載，近地風的風向、性質、風速等均會影響風荷載大小，同時風荷載也受到地面表面狀況、形狀及高度的影響。

與建筑物表現垂直的風荷載標準可用式（2）表示：

式中：Mz-風壓高度變化系數；Bz-高度處的風振系數；W0-基本風壓（kN/m2）；Wk-風荷載標準值（kN/m2）；Ms-風荷載體型系數。

2 高層建筑特性分析

在水平荷載作用下，結構抗水平的側向剛度是高層建筑（尤其超高層建筑）結構設計的關鍵，為滿足結構彈性工作狀態，應加強對結構層間位移角的控制。建筑受到風荷載的受力圖呈倒三角形分布，而剪力呈正三角形分布，據此高層結構剛度分布應為上小下大的漸變分布特征。

對高度不小于150m的高層建筑，結構應滿足風振舒適度的要求。對住宅、公寓類建筑，結構頂點風振加速度不得超過0.15m/s2，對辦公、旅館類建筑，結構頂點風振加速度不得超過0.25m/s2。正常條件下，高層建筑物處于彈性狀態，還應考慮結構整體變形對幕墻圍護結構的影響。因此，需合理布置結構的抗側力構件，如框架梁、連梁、剪力墻、框架柱、筒體等。不同結構形式可采用不同的抗側力構件或組合構件，以滿足結構抗側剛度、風振舒適度及圍護結構變形要求。

3 基于風荷載設計高層建筑體型

3.1 加強高層建筑的平面設計

平面設計可采用橢圓形、圓形等流線形，與矩形平面相比具有更小的扭力矩、順風力，具有低于矩形平面20%～40%的風荷載效應，是高層建筑設計中重要的平面形式之一。正多邊平面具有較小的平面體型系數，具有多項對稱特征，橫風力、順風力之間的差別較小，在目前高層建筑的抗風設計中較為常見，對平面轉角設計了銳角三角形的形態，為減少設計過程中應力集中現象及角落效應，宜采用切角處理方式。

隨著建筑設計風格的多樣化，往往不能采用橢圓或正多邊形平面，較為常見的平面類型有十字、T、Y、L、H以及槽形等復雜平面，在設計過程中應結合最大風向角，建筑迎風面宜選擇迎風面較小或風荷載效應較小的一面。因此高層建筑及超高層建筑，抗風設計不僅是結構設計問題，更是建筑方案、總圖規劃等問題。

3.2 加強體型設計

設計可采用上小下大的臺體與錐體形式，該體型可減小建筑物的受力面積，避免較大風荷載的影響。設置最佳的結構抗風比例，高度以H表示，寬度以B表示，建筑長度以L表示。L/B范圍值應控制在2～3之間，不宜大于4，H/B應設置在3～4之間，不宜超過6。

3.3 加強抗側剛度設計

設計中應加強抗側剛度設計，抗側剛度應呈現漸變分布特征，剛度應上小下大。設計時可采用體型的變化達到調整抗側剛度分布的效果，如臺體與錐體的體型即具有剛度調整作用。體型上下等寬的結構，可改變豎向構件截面厚度的方式來調整側向剛度。

采用并聯高層建筑群設計方式。單棟建筑相當于一個懸臂構件，而聯立多棟建筑頂部或中間部位，形成空間桁架效應，則具有極大的抗側剛度。該結構形式需與建筑方溝通，取得認可后方可采用。但該結構體型復雜，須進行風洞試驗。

3.4 加強泄風設計

對建筑平面深寬比較大，高度較高，具有弧形或折線形平面，在風荷載作用下，會出現較大的共振作用及橫風向效應，使建筑尾部位置可能出現流體旋渦脫落現象，因此需要加強泄風設計。

泄風設計應結合建筑周邊的實際情況，結合相關設備，利用立面透空特征，可在建筑物適宜高度設置泄風開口，對建筑整體進行泄風。加強底部泄風，可在高層建筑的近地面位置設置挑棚，或在高層底部設置裙房，以減弱下沉渦流對底層的影響。考慮泄風發電，充分發揮建筑群間或建筑泄風開口的局部強風效應，設計風力發電系統，將風能轉化為電能，實現綠色資源利用。

4 高層建筑結構在風荷載作用響應研究

4.1 結構風工程研究方法

根據高層建筑結構抗風設計理論可以看出，結構風工程的研究方式主要是根據實際情況采取對應的研究方式，一般情況下分為三種情況：模擬方法在高層建筑結構受力響應研究中是一種比較常用的研究方法，通過計算機和實驗室進行模擬，最終得到風荷載對高層建筑結構受力的影響，包括風洞模擬和數值模擬。理論計算在土工工程專業中，是教學的重點，更是學術研究的重點，理論研究包括頻域法和時域法，頻域法主要以隨機振動理論為主，通過建立直接關系進行計算；時域法是直接動力法，直接投入計算公式計算。實地考察主要是應用相應的設備儀器進行實地測量，測量內容包括風速、風荷載的加速度、風壓，最后將所有數據進行整理，并計算出風荷載振動響應數據。

4.2 風荷載研究方法

在高層結構風荷載研究中，主要研究是近地面空氣流動所產生的風荷載，由于近地面風沒有規律性，需要根據實際情況具體分析。按照風向可以分為扭轉風向、逆風向和順風向，在順風向同樣需要根據具體情況具體分析，分為平均風和脈動風，平均風對建筑結構產生靜力荷載，高度越高對結構響應力就越高。脈動風屬于動力性風，主要受到振動內力、位移和加速度的影響。目前對橫向風和扭轉風險研究較少。

5 結論

綜上所述，在高層建筑結構設計中，由于受到規劃布置、外觀設計和功能特性等要求，最終導致建筑結構呈現出平面不規則現象。平面不規則在受風荷載作用的影響，會使整個高層建筑結構受力發生整體的變化，在各個不規則交接的地區產生變形集中和應力集中的現象。對于平面不規則高層建筑結構受力設計而言，不僅工作量大，同時也增加了設計師的挑戰性，所以在設計過程中，必須要充分結合實際情況，同時應用各種理論，這樣的設計才能最大化保證平面不規則高層建筑結構的舒適性、穩定性和安全性。