朱靜萌

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

重慶平地少，山坡多的地貌特征決定了重慶蓋房子只能向高空發(fā)展；另外，因人口密度大，用地緊張，為了節(jié)約土地資源，房子也越來越高。俗話說“樹大招風(fēng)”，高層結(jié)構(gòu)正是如此。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論

高層建筑高寬比大，抗側(cè)剛度??；所承擔(dān)的水平荷載除地震作用外，主要為風(fēng)荷載。相比地震作用，風(fēng)載作用極其頻繁。因此，對高層結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)荷載是一種重要的設(shè)計荷載，甚至起決定作用。

1.1 基于性能的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論

基于性能的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論的目的是在不同強度水平風(fēng)振作用下，有效地控制建筑結(jié)構(gòu)的安全、舒適度，明確的不同性能水準，從使建筑物在整個生命周期內(nèi)，在遭受可能發(fā)生的風(fēng)振作用下，總體費用達到最小的目標。

與傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計不同，該理論是由業(yè)主先給出所期望的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能水準，工程師在該要求下，采用與國家規(guī)范不相抵觸的結(jié)果來完成設(shè)計。

1.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)振性能水準

1.2.1 風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)是我國現(xiàn)行荷載規(guī)范的一個重要系數(shù)，該系數(shù)的值對風(fēng)載值有較大的影響。

1.2.2 人體舒適度。在側(cè)向力作用下，高層結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，當(dāng)振動達到某一限值時，人們開始有某種不舒適的感覺。人體舒適度可分為無振感、輕微振感、中等振感、煩惱、非常煩惱和無法忍受六個等級。

1.2.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)振性能水準。性能水準是針對所設(shè)計的建筑物，在可能遇到的特定風(fēng)振作用下所規(guī)定的最大容許舒適度或最大容許破壞。該指標應(yīng)從舒適度和變形兩個方面綜合確定。

1.3 結(jié)構(gòu)性能目標

性能目標是指對所設(shè)計的建筑物在設(shè)計風(fēng)壓等級下所要求達到的性能水準的總和。需綜合建筑物的使用要求、功能要求的重要性、經(jīng)濟性等諸多因素來考慮。

1.4 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算

1.4.1 理論計算。計算分析首先要在分析模型中考慮結(jié)構(gòu)的線性與非線性恢復(fù)力特性；其次，選取合理的計算方法對有效的模擬風(fēng)場并進行風(fēng)振的動力時程分析；再次，根據(jù)不同的性能目標選取合理、快捷的分析方法；最后，發(fā)展簡單實用的計算方法，減小計算量，加強前后處理軟件程序的開發(fā)和應(yīng)用。

1.4.2 風(fēng)洞試驗。風(fēng)洞試驗是一種測量大氣邊界層內(nèi)風(fēng)對建筑物作用大小的有效手段。高樓可能造成很強的地面風(fēng)，對地面造成很大的影響；當(dāng)附近還有其他高層建筑時，群體效應(yīng)對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害，這些都可以通過風(fēng)洞試驗進行分析。

1.5 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的安全評價與社會經(jīng)濟評價

完成抗風(fēng)分析之后，必須對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)舒適性與安全性進行評價，以證實符合所選定的性能目標。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)反應(yīng)量化參數(shù)必須符合性能目標與相關(guān)準則，滿足業(yè)主和社會所要求的強度、剛度、舒適度等性能要求以及經(jīng)濟指標。

2 風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響

2.1 風(fēng)對建筑結(jié)構(gòu)的作用及結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)

風(fēng)對建筑物的作用有以下特點：頻繁且持續(xù)時間長；隨機性大，分布不均勻；與建筑物的幾何外形直接相關(guān)；風(fēng)場分布受周圍環(huán)境的影響很大。

建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)包括：

(1)平均風(fēng)靜力效應(yīng)：計算出風(fēng)荷載后來分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形等，并分析其穩(wěn)定性。

(2)順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)：結(jié)構(gòu)越柔，基本周期越長，順風(fēng)向動力響應(yīng)就越大。

(3)橫向風(fēng)的風(fēng)振響應(yīng)：尾部激勵引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動和橫風(fēng)向風(fēng)紊流引起的結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)振動。

(4)動力風(fēng)荷載效應(yīng)：由彎曲或扭轉(zhuǎn)單獨為主產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為馳振；彎扭耦合產(chǎn)生的失穩(wěn)稱為顫振。

2.2 結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的破壞形式

高層建筑在風(fēng)荷載下的幾種主要破壞形式有：結(jié)構(gòu)開裂或損壞，如位移過大引起框架、承重墻裂縫或結(jié)構(gòu)主筋屈服；層間位移引起非承重墻開裂；局部風(fēng)壓過大引起玻璃、維護結(jié)構(gòu)破壞；建筑物頻繁、大幅度擺動使居住者感到不適；長期的風(fēng)致使振動引起結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致破壞等。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)加固的方法

2.3.1 增大截面法。增大構(gòu)件的截面面積，提高承載能力及截面剛度，改變自振頻率，減小結(jié)構(gòu)的動力風(fēng)荷載效應(yīng)。多用于加固結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱和鋼結(jié)構(gòu)中的柱及屋架以及磚墻、磚柱等。此法會減小使用空間，增加結(jié)構(gòu)自重。

2.3.2 外包鋼加固法。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周包以型鋼進行加固，分干式外包鋼和濕式外包鋼兩種形式。在保持原構(gòu)件截面尺寸的同時提高構(gòu)件承載力、延性和剛度，適用于混凝土柱、梁、屋架和磚窗間墻以及煙囪等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固。但用鋼量較大、維修費用較高。

2.3.3 預(yù)應(yīng)力加固法。外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿對結(jié)構(gòu)進行加固。在幾乎不改變使用空間的條件下，提高構(gòu)件的承載力。廣泛用于受彎構(gòu)件以及混凝土柱、鋼梁及鋼屋架的加固。加固效果好而且經(jīng)濟，很有發(fā)展前景；不足的是增加了施加預(yù)應(yīng)力的工序和設(shè)備。

2.3.4 改變受力體系加固法。增設(shè)支點或采用托梁拔柱的辦法改變結(jié)構(gòu)的受力體系。大幅度提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，減小撓度、裂縫寬度。多用于大跨度結(jié)構(gòu)。

2.3.5 外部粘鋼加固法。用膠粘劑在構(gòu)件外部粘貼鋼板。施工簡易周期短，加固后幾乎不改變構(gòu)件的外形和使用空間，大大提高構(gòu)件的承載力和正常使用階段的性能。但是對施工工藝要求較高，一般應(yīng)由專業(yè)隊伍施工。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中存在的問題

3.1 設(shè)計風(fēng)壓等級的確立

設(shè)計風(fēng)壓等級的建立需要考慮多種因素的影響。目前，我國還沒有對結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)壓等級給出明確定義，具體的劃分原則和范圍界定還需進一步的研究探討。

3.2 風(fēng)振系數(shù)的確定

我國目前確定結(jié)構(gòu)風(fēng)震系數(shù)時采用的阻尼比是按已建建筑在微振下所獲取的阻尼比實測值確定的，而抗風(fēng)設(shè)計所取的風(fēng)載是30-100年一遇的大風(fēng)荷載。此時，結(jié)構(gòu)的振動將不是微小振動，而是有較大位移的振動，而大位移振動與微振的結(jié)構(gòu)阻尼比是不同的，一般前者比后者大;而阻尼比增大，將使風(fēng)振系數(shù)減小。因此目前我國進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計所取的風(fēng)振系數(shù)可能偏大。

3.3 風(fēng)振舒適度的考慮

《高規(guī)》中規(guī)定重現(xiàn)期為10年的最大加速度限值為：公共建筑0.28m/s2；公寓建筑0.20m/s2。本文認為存在如下有待完善之處：首先，重現(xiàn)期取為10年已不能滿足要求?！督ㄖ奢d設(shè)計規(guī)范》中對一般結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓重現(xiàn)期已規(guī)定為50年，且對特殊結(jié)構(gòu)還要進行重現(xiàn)期為100年的舒適度驗算；其次，該規(guī)定只將民用建筑分為公共建筑和公寓建筑兩類，不夠具體；再次，將峰值加速度限值僅定為0.28m/s2和0.20m/s2，不夠精確。

3.4 層間位移的限值

層間位移的取值是根據(jù)業(yè)主所要求的性能水平，在相應(yīng)的層間變形取值范圍內(nèi)由設(shè)計方和業(yè)主共同確定。然而，很多情況下即使層間位移滿足限值要求，也可能因個別構(gòu)件出現(xiàn)過大塑性變形而產(chǎn)生局部破壞，所以對關(guān)鍵受力構(gòu)件的局部變形能力還應(yīng)進行單獨驗算，控制層間延性比，確保結(jié)構(gòu)的屈服機制趨于合理。

4 高層建筑抗風(fēng)設(shè)計發(fā)展前景

隨著高層建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載更加敏感，在不少地區(qū)，抗風(fēng)研究和設(shè)計已成為控制結(jié)構(gòu)安全性能和使用性能的關(guān)鍵因素。此外，國際工程界對超高層建筑上的風(fēng)速、風(fēng)壓測試工作也非常重視，在某些世界著名的超高層建筑上架設(shè)有風(fēng)速儀、測振儀，進行長期的測風(fēng)測振工作，積累了一定的數(shù)據(jù)。我國在在基于性能的抗風(fēng)設(shè)計方面的研究尚屬空白，迫切需要加快發(fā)展。

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