宋萬鵬

（太原理工大學建筑設(shè)計研究院 山西太原 030024）

0 引言

結(jié)構(gòu)地震作用響應主要與場地類別、抗震設(shè)防烈度、地震加速度值、地震分組等有關(guān)。在平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)中，除考慮地震作用外，還應考慮風荷載作用，即結(jié)構(gòu)抗風行為受力計算分析。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)各段體形系數(shù)、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)迎風面面積等有關(guān)[1-3]。

1 風荷載基本特性

風速與高度之間有著緊密的聯(lián)系，高層結(jié)構(gòu)設(shè)計應充分考慮風速因素對結(jié)構(gòu)的影響。風是空氣中氣壓不均而出現(xiàn)流動現(xiàn)象而導致的結(jié)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(jié)構(gòu)應力和建筑高度二次方之間呈正比關(guān)系，可用式（1）表達：

式中：n-指數(shù)，與建筑物周邊的環(huán)境有關(guān)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(xiàn)一定的吸力與壓力，即為風荷載，近地風的風向、性質(zhì)、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(xiàn)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(shù)；Bz-高度處的風振系數(shù)；W0-基本風壓（kN/m2）；Wk-風荷載標準值（kN/m2）；Ms-風荷載體型系數(shù)。

2 高層建筑特性分析

在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)抗水平的側(cè)向剛度是高層建筑（尤其超高層建筑）結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，為滿足結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)，應加強對結(jié)構(gòu)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(jù)此高層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應滿足風振舒適度的要求。對住宅、公寓類建筑，結(jié)構(gòu)頂點風振加速度不得超過0.15m/s2，對辦公、旅館類建筑，結(jié)構(gòu)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(tài)，還應考慮結(jié)構(gòu)整體變形對幕墻圍護結(jié)構(gòu)的影響。因此，需合理布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，如框架梁、連梁、剪力墻、框架柱、筒體等。不同結(jié)構(gòu)形式可采用不同的抗側(cè)力構(gòu)件或組合構(gòu)件，以滿足結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、風振舒適度及圍護結(jié)構(gòu)變形要求。

3 基于風荷載設(shè)計高層建筑體型

3.1 加強高層建筑的平面設(shè)計

平面設(shè)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(shè)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(shù)，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(shè)計中較為常見，對平面轉(zhuǎn)角設(shè)計了銳角三角形的形態(tài)，為減少設(shè)計過程中應力集中現(xiàn)象及角落效應，宜采用切角處理方式。

隨著建筑設(shè)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(shè)計過程中應結(jié)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(shè)計不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，更是建筑方案、總圖規(guī)劃等問題。

3.2 加強體型設(shè)計

設(shè)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(shè)置最佳的結(jié)構(gòu)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(shè)置在3～4之間，不宜超過6。

3.3 加強抗側(cè)剛度設(shè)計

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

采用并聯(lián)高層建筑群設(shè)計方式。單棟建筑相當于一個懸臂構(gòu)件，而聯(lián)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(cè)剛度。該結(jié)構(gòu)形式需與建筑方溝通，取得認可后方可采用。但該結(jié)構(gòu)體型復雜，須進行風洞試驗。

3.4 加強泄風設(shè)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(xiàn)較大的共振作用及橫風向效應，使建筑尾部位置可能出現(xiàn)流體旋渦脫落現(xiàn)象，因此需要加強泄風設(shè)計。

泄風設(shè)計應結(jié)合建筑周邊的實際情況，結(jié)合相關(guān)設(shè)備，利用立面透空特征，可在建筑物適宜高度設(shè)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(shè)置挑棚，或在高層底部設(shè)置裙房，以減弱下沉渦流對底層的影響。考慮泄風發(fā)電，充分發(fā)揮建筑群間或建筑泄風開口的局部強風效應，設(shè)計風力發(fā)電系統(tǒng)，將風能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)綠色資源利用。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)在風荷載作用響應研究

4.1 結(jié)構(gòu)風工程研究方法

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理論可以看出，結(jié)構(gòu)風工程的研究方式主要是根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力的影響，包括風洞模擬和數(shù)值模擬。理論計算在土工工程專業(yè)中，是教學的重點，更是學術(shù)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(guān)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(shè)備儀器進行實地測量，測量內(nèi)容包括風速、風荷載的加速度、風壓，最后將所有數(shù)據(jù)進行整理，并計算出風荷載振動響應數(shù)據(jù)。

4.2 風荷載研究方法

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

5 結(jié)論

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