超高层建筑结构抗风性能研究

超高层建筑结构抗风性能研究

白旭涛1袁王辉2李超然3

白旭涛1袁王辉2李超然3

中国启源工程设计研究院有限公司陕西省西安市710018

摘要：高层建筑数量的不断增加更加充分利用土地资源，在结构设计中我们需要考虑高层建筑与多层建筑的区别，且高层建筑由于整体高度，结构内部受力情况也更加复杂。对于高层建筑而言，风荷载引起的效应在总荷载效应中所占的比重比较大，所以要做好高层建筑结构抗风设计工作，提高建筑结构的科学性和合理性，从而为人们提供一个舒适的居住环境，以此促进高层建筑的发展和进步。

关键词：超高层；建筑结构；抗风；性能

1高层建筑结构抗风设计理论

高层建筑一般具备较大的高宽比，同时其抗侧刚度较小；并且地震作用和风荷载都是其主要承担的水平荷载。相比较地震作用，风荷载出现的频率比较高。所以，在高层建筑结构中，主要设计的荷载是风荷载。

1.1基于性能的结构抗风设计理论

基于性能的结构抗风设计理论，主要目标是在不一样强度水平风振的影响下，对建筑结构的安全和舒适度进行有效的控制，从而确定不同性能水准，确保在整个生命周期内的建筑物，在承担可能会出现的风振作用下，其总体成本费用是最小的。

1.2结构风振性能水准

1.2.1风振系数

作为我国目前使用得荷载规范的一个重要系数，风振系数对风载值的作用比较大。

1.2.2人体舒适度

在侧向力的影响下，高层建筑会出现振动的情况，如果振动处于某一个限值时，人们会产生不舒服的感觉。人体得舒服度可以分为六个不同的等级，分别是无振感、轻微振感、中等振感、烦恼和非常烦恼以及无法忍受。

1.2.3结构风振性能水准

性能水准，主要是指所设计的建筑物，在可能会遭受的特定风作用下，所明确的最大容许舒服度，或者所容许的最大破坏度。主要是从舒适度和变形两个方面确定性能水准的指标。

1.3结构性能目标

性能目标，主要指的是所设计的建筑物，在设计风压等级的需求下，满足性能水准的总和。结构性能目标，要综合考虑建筑物的使用要求、功能要求的重要性等等要素。

1.4结构抗风计算

1.4.1理论计算

在计算分析的工作中：①要充分的考量结构的线性，同时要充分的考量非线性恢复力特性，从而完成模型分析工作；②选择科学的计算方法，计算模拟风场，同时分析风振的动力时程；③按照不一样的性能目标，选择有效的分析方法；④推广实用性较强和容易掌握的计算方法，降低计算量，重视前后处理软件程序的开发和利用工作。

1.4.2风洞试验

风洞试验的主要目标，是对大气边界层风对建筑物产生的作用进行测量。高楼会导致比较强的地面风，对地面的破坏作用也比较大；如果高层建筑集聚在一起，群体效应会危害建筑物和建筑物之间的通道，上述情况都可以利用风洞试验完成分析工作。

2提高超高层建筑稳定性的相关方法

超高层建筑会有正常的摆动，顶层会有一个自动配重的装置，主要用于预防地震。这个配重装置的学名叫做风阻尼器(tunedmassdump-er)。这是一个几百吨重的悬挂在楼顶部的大铁球，它调整了房屋的共振频率，使房屋在强风，地震情况下减少震动幅度，调整振动频率避免共振。房屋在大风中引起的晃动，包括建造过程中，是主要靠地基来保证建筑的整体完整性的。超大型建筑的保险系数是很高的，比一般小高层之类的要稳得多。另外在结构较高时，风阻尼器的安装，会减少震动幅度，也是为了减少人在内部活动的眩晕感，对于建造好的建筑结构如何做抗震与抗风设计的。建造过程中，并不是抗震的最不利状态。所以在设计过程中，有一个原则或者方法:对最不利状态进行设计。所谓最不利，就是各种情况下，对结构物危害最大的情况。一个结构物，受力状态多种多样，设计者不可能对每一个状态都进行计算，只能选择最不利的状况进行设计计算。最不利状况没有问题了，那么其他状况也就自然满足。值得指出的是，与最优化问题类似，通常也没法找到最不利(对应全局最优)的状况，只能找到若干个次不利(对应局部最优)的状况，以此作为依据进行结构稳定设计。回到这个问题本身，在建造过程中，如果将施工辅助设施牢固的固定在建筑物上，这时候如果发生地震，似乎并不是结构的最不利状况。因为地震荷载与几个因素有关，结构物的质量，结构物的刚度，结构物的高度。在建筑物达到最高处，建造完毕时，此时结构物的质量最大，刚度最小，高度最高。这时候，似乎才是结构物的最不利状况。这时候，抗震性能满足要求，那么建造过程中的抗震性能就自然满足了。

3高层建筑结构抗风措施

3.1横向风控制

高层建筑具有高而柔的特点，其一阶自振频率往往与风荷载峰值频率比较接近，在风荷载作用下很容易产生强烈的共振效应，导致结构响应放大。从横风向风力形成以及横风向响应的特点来看，控制横风向风致响应可以采用气动措施和结构措施。气动措施包括：减小横风向风力和改变建筑周边漩涡脱落频率，改变横风向风力功率分布；结构措施包括改变结构刚度或改变结构阻尼。

3.1.1气动措施

1）角沿修正

通过切角、凹角、圆角等角沿修正措施来改变建筑的旋涡脱落特性，从而减小结构横风向荷载与响应。不同的角沿修正比例对应的效果并不相同，从荷载强度来讲，10%的角部修正率可能是较好的选择；而从气动稳定性角度来看，5%的角部修正率能较有效防止高层建筑的气动不稳定性。

2）建筑截面沿高度改变

同截面形状以及角部处理可以降低漩涡脱落强度，从而降低建筑物的横风向荷载机响应。类似的，改变建筑物沿高度方向的形状或者尺寸可以改变漩涡脱落沿建筑物高度方向的分布，也可以达到同样的目的。常见的修正形式有截面沿高度缩进、截面沿高度旋转以及立面开洞等形式。

采用沿高度截面修正的方法，打乱了沿高度方向漩涡脱落的一致性，从而避免强漩涡脱落的形成。但需要注意的是，来流在建筑表面分离时可能形成较大的局部风力，提高幕墙设计风荷载。

3.1.2改变结构动力特性

通过改变结构的质量或刚度可改变结构的自振频率，避免结构频率与风荷载峰值频率接近引起共振，另外通过增加结构阻尼比可有效阻止结构的振动。

3.2扭转风控制

对于扭转响应的控制同样可以采用气动措施和改善结构动力特性的方法。气动措施方面，在建筑设计时，尽量采用规则截面，使建筑形心、结构质心、平均风荷载作用中心重合或位置接近，有效避免初始扭矩。结构动力特性方面，应保证结构扭转刚度，提高结构扭转自振频率，增加结构阻尼，从而减小扭转方向的共振响应。

4高层建筑结构抗风舒适度的可靠性分析

在实际的情况中，风对高层、高耸结构的安全性和适用性两个方面产生直接的影响，而结构可靠度理论主要是对结构的安全性、实用性和耐久性进行研究。所以要对风荷载作用下高层、高耸结构的抗风可靠度进行研究，进而保证高层、高耸结构抗风设计和风振控制工作的顺利实施。在侧向力作用的影响下，高层结构会出现振动的情况，如果振动处于某一限值时，人们就会感觉不舒适。因为建筑高度在不断的变高、建筑结构体系在不断的完善等等因素的影响，使得高层建筑结构呈现着越来越柔和的趋势，此外，风作用发生的频率越来越高，高层建筑设计和控制的重要因素逐渐的变成舒适度。高层和超高层建筑钢结构因为高度的快速增加，结构振动阻尼变得越来越小，风荷载对高层建筑的作用越来越大，因此高层建筑钢结构在设计的过程中首先要考虑风运动的人体舒适度。为了更加科学和合理的对高层建筑结构的舒适度和结构设计进行研究，有必要从可靠性角度分析舒适度。

结语：

总而言之，随着社会经济不断的进步和发展，城市建设规模的不断扩大，城市中高层建筑的数量也越来越多。因此，高层建筑的结构设计人员要不断的进行学习，重视结构试验研究成果，同时在结合大量工程经验的基础上，做出科学合理的高层建筑结构设计。

参考文献：

[1]武云鹏，韩博，郭峰，等．结构刚重比算法研究及软件实现［J］．建筑结构，2015(18)．

[2]尚守平，束洋．结构名义刚重比对隔震效果影响的试验研究［J］．广西大学学报(自然科学版)，2016(04)．

[3]陈伟伟．质量竖向不均匀分布时刚重比公式的探讨［J］．浙江建筑，2015(07).