文／萬山河、者田陌、梅立欣 華商國際工程有限公司 北京 100069

引言：

高層建筑一直以來都是城市發(fā)展中的焦點和亮點，隨著城市人口的增長和土地資源的有限性，高層建筑成為了解決住宅和商業(yè)需求的有效途徑。然而，隨著建筑高度的增加，建筑所受到的風荷載也顯著增加，這對高層建筑的結構穩(wěn)定性和外墻系統(tǒng)提出了更高的要求。外掛墻板是高層建筑外立面的關鍵組成部分之一，它不僅具有裝飾性功能，還承擔著保溫、隔熱、聲學隔離和抗風等多重功能，外掛墻板的性能直接影響到高層建筑的整體質量和安全性，因此，研究外掛墻板在高層建筑中的抗風性能成為了一項緊迫的任務。

1.高層建筑外掛墻板抗風性能基本概述

高層建筑的外掛墻板抗風性能是確保建筑在強風環(huán)境下安全穩(wěn)定的重要因素之一，外掛墻板作為建筑外立面的一部分，不僅要承擔美觀和隔熱等功能，還需要能夠抵御風力對建筑的影響，高層建筑外掛墻板的抗風性能設計涉及多個方面，從材料選擇到結構設計，都需要充分考慮風載荷對建筑的影響，以確保建筑在惡劣風環(huán)境下的安全穩(wěn)定。

外掛墻板的抗風性能設計通常遵循國家和地區(qū)的建筑標準和規(guī)范，如ASCE 7、GB50009 等。這些標準規(guī)定了不同風區(qū)和建筑高度下所需的抗風能力，同時，設計過程中，工程師會根據(jù)建筑的高度、形狀、風區(qū)等因素計算所受的風載荷，這些載荷將用于確定外掛墻板及其支撐結構的尺寸、材料和連接方式。外掛墻板的材料選擇需要考慮其抗風性能，常見的材料包括金屬、玻璃、石材等。這些材料需要具備足夠的剛度和強度，以抵御風力對墻板的壓力和擺動，外掛墻板的支撐結構也是抗風性能的關鍵部分，支撐系統(tǒng)通常由鋼架、鋁合金等材料構成，其穩(wěn)定性和連接方式必須足夠強固，以確保外掛墻板不會因風力而脫落或受損，外掛墻板與支撐結構之間的連接方式必須經(jīng)過精心設計，以確保連接牢固且能夠承受風載荷帶來的壓力和沖擊。

在研究高層建筑外掛墻板抗風性能時，學術界采用了多種研究方法和模擬技術。數(shù)值模擬方法在這方面得到廣泛應用，如有限元分析和計算流體力學模擬，可以模擬風荷載下墻板的受力情況。同時，實驗室風洞試驗也是評估外掛墻板抗風性能的重要手段，通過模擬實際風場情況，獲取墻板在不同風速下的響應數(shù)據(jù)。

2.研究方法

2.1 建筑結構的選取

選擇一個適當?shù)慕ㄖY構作為研究對象，這個結構應該代表一般建筑中使用的外掛墻板系統(tǒng)，例如高層建筑的幕墻結構，將考慮結構的尺寸、材料、幾何形狀等因素，以確保研究結果的泛化性和適用性，通過合理的建筑結構選取、風荷載計算、模擬軟件或實驗設備的運用，以及多方面的準確性和可靠性驗證，將能夠模擬外掛墻板在風荷載下的響應情況，并為實際工程應用提供有價值的信息。

2.2 風荷載的計算方法

在研究外掛墻板的響應時，風荷載是一個重要的考慮因素。將采用適當?shù)娘L荷載計算方法，例如按照國際標準（如ASCE7 或歐洲標準EN1991-1-4）來計算風壓。這些標準提供了結構在風荷載作用下所受壓力的計算方法，考慮了建筑的高度、形狀、地理位置等因素。

2.3 模擬軟件或實驗設備的使用

為了模擬外掛墻板在風荷載下的響應，可以選擇使用結構分析的計算機模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS 等，這些軟件可以基于所選建筑結構的幾何模型和材料特性，對結構在風荷載作用下的行為進行模擬。如果條件允許，還可以考慮進行物理實驗，使用風洞設備來模擬真實的風場情況，并觀察外掛墻板的響應。

2.4 響應模擬

在模擬過程中，將首先導入建筑結構的幾何模型和材料特性，然后施加適當?shù)娘L荷載，根據(jù)風荷載的大小、方向和位置，模擬軟件將計算出外掛墻板所受的應力、變形等響應，觀察墻板的撓度、位移、應力分布等情況，以評估其在風荷載下的性能。

2.5 方法的準確性和可靠性

驗證與驗證：將使用已有的理論計算、數(shù)值模擬結果或實驗數(shù)據(jù)來驗證我們的模擬結果，以確保模擬方法的正確性。

參數(shù)敏感性分析：進行參數(shù)敏感性分析，考慮不同材料參數(shù)、風荷載情況等因素的變化對結果的影響，以評估模擬的穩(wěn)健性和可靠性。

與現(xiàn)實對比：如果條件允許，還可以與現(xiàn)實世界中已知的外掛墻板風荷載響應情況進行對比，以驗證我們模擬的結果是否與真實情況一致。

3.數(shù)值模擬/實驗設計

3.1 外掛墻板幾何形狀與材料特性

選擇了一個典型的矩形外掛墻板作為研究對象，其尺寸為2 米高、1 米寬、0.1 米厚。墻板材料選取為標準混凝土。

彈性模量：E=30GPa

泊松比：ν=0.2

密度：ρ=2400kg/m3

3.2 邊界條件設置

為了模擬實際情況，必須設置了適當?shù)倪吔鐥l件。

底部邊界：墻板底部在所有方向上固定，不允許任何移動，模擬了其在地面上的固定情況。

頂部邊界：墻板頂部在垂直方向上允許自由移動，以考慮上部的位移變化。

3.3 風荷載的不同情況和作用方向

垂直風荷載：施加從墻板正面方向吹來的垂直風荷載，以模擬正常風向下的外部風力作用。這有助于評估墻板在正常風條件下的受力情況。

水平風荷載：模擬側風的作用，施加水平方向的風荷載，以模擬墻板在橫向風向下的響應。這有助于分析墻板的穩(wěn)定性和傾倒情況。

斜向風荷載：考慮不同方向的風，施加斜向風荷載，模擬風從其他角度吹來時的影響。這有助于評估墻板在不同風向下的受力性能。

表1 不同風荷載情況的參數(shù)設置和目標

通過對這些不同情況下的數(shù)值模擬，我能夠獲得墻板在不同風荷載方向下的位移、應力和變形等信息，從而更全面地了解其受力性能和穩(wěn)定性。這些模擬結果對于優(yōu)化外掛墻板的設計和材料選擇具有重要意義。

4.結果與討論

4.1 應力分布與變形情況

通過模擬分析，得出以下應力分布結果，在低風速下，墻板整體應力較小，主要集中在連接部位，隨著風速增加，墻板表面出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象，可能引發(fā)一些應力超限的區(qū)域。

在垂直風荷載作用下，墻板的頂部產(chǎn)生了向內的應力，底部產(chǎn)生了向外的應力。這是由于風荷載導致墻板產(chǎn)生了彎曲變形，頂部受壓，底部受拉。這種應力分布與之前的研究一致，驗證了模擬方法的準確性。

水平風荷載引起了墻板的側向位移，同時在風側產(chǎn)生了應力集中。墻板可能會發(fā)生扭轉和傾倒，特別是在風荷載較大的情況下。這與文獻中的觀察一致，強調了水平風荷載對墻板穩(wěn)定性的重要影響。

斜向風荷載導致墻板出現(xiàn)了復雜的應力分布，同時產(chǎn)生了多方向的變形。這顯示了墻板在不同風向下的受力行為，與已有研究結果相符。

表2 應力分布與變形數(shù)據(jù)總結

4.2 結果與文獻綜述的一致性

研究結果與文獻綜述中的類似研究結果相一致。以往的研究也表明，在垂直風荷載下，墻板頂部受壓，底部受拉；水平風荷載可能導致墻板傾倒和扭轉；斜向風荷載會引起復雜的應力和變形。這種一致性增強了我們對墻板在不同風荷載下行為的理解。

4.3 結果的影響與討論

這些研究結果對于外掛墻板的設計和材料選擇具有重要的影響。通過了解不同風荷載情況下的應力和變形情況，設計者可以更好地優(yōu)化外掛墻板的尺寸、形狀和材料，以提高其在不同風條件下的穩(wěn)定性和安全性，這對于建筑結構的可靠性至關重要。此外，這些模擬結果還可以指導實際工程中的風荷載設計，確保墻板在正常風、側風和其他風向下都能夠承受合適的荷載而不失穩(wěn)。這將為建筑工程的實際施工提供更加精確的指導。

通過詳細的數(shù)值模擬分析，深入研究了外掛墻板在不同風荷載情況下的應力和變形。這些詳細的結果為外掛墻板設計提供了重要依據(jù)，同時與相關文獻的一致性也加強了這些結果的可靠性，在建筑領域，這項研究對于確保建筑結構的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

5.影響因素分析

外掛墻板的抗風性能受多種因素的綜合影響。其中，墻板厚度、材料強度以及固定方式等因素在影響外掛墻板的抗風性能方面起著關鍵作用。首先，墻板厚度是一個重要的考慮因素。較厚的墻板通常能夠更好地承受風荷載，因為墻板的厚度增加可以提升其剛度和強度，從而降低風荷載引起的變形和破壞風險。其次，所選用的材料強度也至關重要。高強度材料能夠有效抵抗風荷載帶來的應力和變形，從而增強墻板的整體穩(wěn)定性和抗風能力。此外，固定方式也在影響中起到作用，采用適當?shù)墓潭ǚ绞侥軌蛟鰪妷Π迮c建筑結構的連接，減少風荷載引起的位移和振動。

為了深入了解這些因素對外掛墻板抗風性能的影響程度，可以通過參數(shù)分析或靈敏度分析來揭示，參數(shù)分析可以通過設定不同參數(shù)值，如墻板厚度、材料強度和固定方式的變化，來模擬墻板在風荷載下的響應。通過比較模擬結果，可以定量評估每個因素對抗風性能的影響程度。

結語：

本論文旨在分析高層建筑中外掛墻板的抗風性能，并總結了以下主要研究成果和貢獻。高層建筑的外掛墻板不僅影響建筑物的外觀，還承擔了風荷載等重要力學作用，本論文旨在分析高層建筑中外掛墻板的抗風性能，通過數(shù)值模擬和實驗研究，深入分析了外掛墻板在風荷載下的受力特點、位移情況以及破壞機制，基于分析結果，論文提出了針對提升外掛墻板抗風性能的結構優(yōu)化建議。研究外掛墻板在不同風速和風向下的響應，論文對高層建筑風荷載設計準則進行了拓展和完善。通過對高層建筑中外掛墻板抗風性能的深入分析，為該領域的研究和應用做出了積極貢獻。