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摘要：随着社会的发展与进步，重视高层建筑结构设计中风荷载的探讨具有重要的意义。本文主要探讨高层建筑结构设计中风荷载的有关内容。
关键词高层建筑结构 风荷载
Abstract: Along with the development of social development and progress, we pay attention to the designing high-rise stroke load of the discussion has the vital significance. This paper mainly discusses the designing high-rise stroke load of the related content.
Key Words: high-rise building structure, wind load
中图分类号：TU973文献标识码：A 文章编号：
引言
近三十年来，各种类型的高层和大跨建筑结构在美、日、欧等发达国家的发展很快，建筑的高度和跨度越来越大，采用了许多新材料和新技术，创造了丰富的结构形式。许多宏伟而富有特色的建筑已成为当地象征标志和著名人文景观。从今天来看，高层和大跨度建筑结构已成为代表一个国家建筑科技发展水平的重要标志之一。因此，现在的建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展，使得前的高层建筑结构的自振周期与自然界风速的长越周期较接近，故风对高层建筑的影响越来越大。
1、风荷载概述
1.1空气的水平运动称为风。风是由于空气从气压高处向气压低处流动而形成的,所以气压在水平方向上分布不均匀就是风产生的直接原因。风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分：周期在10min 以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风。由于受地表阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角(一般在±10°范围内)。表征风特性的参数有：1)平均风速剖面；2)紊流风速剖面；3)脉动风速谱；4)湍流积分强度等。边界层中运动的空气可视为低速、不可压缩流体。可根据Bernouli 方程由风速确定风压。风压是建筑结构设计中基本的设计依据之一,其取值大小对高层建筑物的经济、适用与安全有密切的关系。基本风压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的压力，根据全国各台站重现期50 年的最大风速作为当地的基本风速V0，再按贝努利方程确定基本风压W0：
Wo =1/2 ρVo2
选取自记10min 平均最大风速作为统计样本，计算风压时必须考虑台站的空气密度的影响。空气密度公式如下：
其中，e 为水汽压,hPa；t 为温度，℃；P 为大气压， hPa。风压作用将产生的结果：1)使结构或构件产生过大的内力和不稳定；2)使结构物产生过大的撓度或变形，引起外墙和装饰材料的破坏；3)由反复的风振动作用，引起结构或构件疲劳损坏；4)由于风振作用即动态运动，使建筑物的居位者产生不舒适感。
1.2风荷载
（1）风荷载的种类及特点
风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括三个部分：1）平均风压产生的平均力；2）脉动风压产生的随机脉动力；3）由于风致建筑物振动产生的惯性力。对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：1）风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；2）风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；3）对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；4）结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；5）脉动风的强度、频率、风向是随机的；6）风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。
2、高层建筑结构特征分析
在高层及超高层建筑设计中,侧向刚度是主要考虑的因素,能准确判断建筑侧向刚度的参数为水平位移指标, 即建筑顶端最大位移与建筑总高度之比, 因此建立水平位移指标的限值是一个重要的设计规定。高层建筑所受风荷载呈倒三角形分布，其剪力则呈正三角形分布，因此，为抵抗风荷载所需要的结构刚度宜为下大上小渐变分布（见图1）。
图1 水平荷载作用下的刚性设计
对高层建筑结构在风荷载作用下的变形主要有两方面的限制:一是限制结构的顶端水平位移与总高度的比值, 目的是控制结构的总变形量；二是限制相邻两层楼盖间的相对水平位移与层高的比值,目的是防止填充墙、装饰部件的损坏,避免电梯轨道和管道等设施产生过大的变形。在正常使用条件下, 高层建筑结构应处于弹性状态并具有足够的刚度, 避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用条件。为此，在高层结构中通常以柱、墙和筒体作为基本抗侧单元（见图2），用于不同建筑高度和结构类型保证足够的抗侧刚度。同时，这些结构体系又影响着建筑体型的设计。
图2高层结构基本抗侧单元
3、高层建筑体型设计方法
建筑体型设计可从平面形状和竖向型体两方面考虑，同时考虑平面与竖向的组合关系，通过合理的建筑体型可以有效的减轻风荷载对建筑的影响[3]：
3. 1 平面设计
1）流线形平面：圆形、椭圆形等流线形平面，其顺风力和扭力矩都比较小，可比矩形平面减少20%-40%的风荷载，宜为高层建筑抗风设计的优选平面。
2）正多边平面：正多边形平面体型系数小、多向对称，顺风力、横风力差别不大，扭力矩影响很小。对于平面转角尤其是具有锐角的三角形等，可采用切角处理以减小角落效应和应力集中现象。可为高层建筑抗风设计的常用平面。
3）复杂平面：由于高层建筑功能的复杂性及相关诸多影响因素，往往不能仅仅使用简单的流线形或正多边平面。L、T、H、Y、十及槽形等平面形状亦为常用，此时，平面设计的关键是要结合风向控制平面突出长度并选择有利于减小体型系数的朝向。
3. 2 型体设计
1）选择锥状型体：上小下大的锥体和台体有利于避免最大风荷载并减小建筑受风面积（见图4），可以有效减小倾覆力矩。同时，高层建筑外柱倾斜可以增大抗推刚度，产生反向水平分力，可使侧移减少10%-50%。
图4不同体型结构荷载
2）控制体型比例：建筑的三维比例对背风涡流区及风压分布有着较大影响（见图5），分析可得高层建筑长度L、宽度B、高度H 之间有利于结构抗风的比例宜为：H/B 适宜3~4 不大于6，L/B 适宜2~3，不大于4。
图5建筑体型与背风涡流区的关系
3. 3 刚度设计
1）提高抗侧刚度：高层结构除了要保证足够的抗侧刚度外，其刚度宜为下大上小、渐变分布，这可以通过建筑体型和内部抗侧结构的刚度分布来实现。对于锥体和台体，其体型所提供的刚度分布自身可以满足。对于柱体建筑，由于体型上下均匀，可通过改变内部抗侧构件的截面大小来满足结构刚度的渐变分布。
2）并联高层楼群：每一个独立的高层建筑如同独立的悬臂结构，当建筑高度较大时要满足结构抗侧移刚度则有难度。可将单体高层建筑顶部利用立体桁架或连接体建筑连为并联高楼群（见图6），其顶点侧移可减为独立悬臂结构的1/4 左右。
图6 井联高层楼群示意
4、刚性模型风洞试验数据处理的方法
风洞试验是结构风工程领域极其重要而且不可缺少的研究手段。由于许多建筑尚处于设计阶段，无法进行现场实测。所以现在基本上还只能采用缩尺模型风洞试验的方法来确定作用在结构上的风荷载。
用于建筑结构的缩尺模型风洞试验可分为刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验。前者忽略了来流之间的相互耦合用，主要用来测量作用在结构上的平均风荷载和脉动风荷载。后者考虑了结构来流之间的相互耦合作用，主要用来测定结构在边界风场中的动力响应。但是因为气动弹性模型风洞试验要求满足一系列的相似条件，虽然精度高，但是难度大，所耗的人力、物力和财力较大。因此刚性模型风洞试验是目前用得最为广泛的一种方法。风洞试验测得的数据是时间历程，参考文献提出了多阶模态力法，其基本思路是将各测点的脉动风压和结构的各阶模态相乘转换为相应的模态力，采用振型叠加法在广义坐标中求出结构的响应。它的优点在于只要在刚性风洞试验中输出各阶模态力系数和模态力谱，就能快捷的计算得到结构的风振响应和风振系数。
结束语
风荷载无论从建筑还是结构方面都对高层建筑有着重要影响。风荷载的作用与高层建筑的体型设计有着密切关系，通过科学合理的建筑体型选择与设计，不仅能使高层建筑结构更加安全可靠，而且能极大的改善建筑自身及周边的环境。高层建筑的抗风设计要结合地域气候条件、规划布局特点、建筑体型设计、防风构造措施以及生态建筑技术，以创造安全、舒适的人居环境。
参考文献
【1】哈莉娅．达力列汗．高层建筑风荷载及其抗风设计【J】．工业建筑，2005．35：271～275．
【2】张相庭．结构风工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．
【3】黄本才．结构抗风分析原理及应用【J】．同济大学出版社，2001．
【4】中华人民共和国国家标准—建筑结构荷载规范（GB50009-2001）2006年版)
【5】林家浩，钟万勰．关于虚拟激励法与结构随机响应的注记【J】．1 5(2)．
【6】楼文娟.杨毅.庞振钱.刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法【J】空气动力学学报，2005.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词高层建筑结构 风荷载
Abstract: Along with the development of social development and progress, we pay attention to the designing high-rise stroke load of the discussion has the vital significance. This paper mainly discusses the designing high-rise stroke load of the related content.
Key Words: high-rise building structure, wind load
中图分类号：TU973文献标识码：A 文章编号：
引言
近三十年来，各种类型的高层和大跨建筑结构在美、日、欧等发达国家的发展很快，建筑的高度和跨度越来越大，采用了许多新材料和新技术，创造了丰富的结构形式。许多宏伟而富有特色的建筑已成为当地象征标志和著名人文景观。从今天来看，高层和大跨度建筑结构已成为代表一个国家建筑科技发展水平的重要标志之一。因此，现在的建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展，使得前的高层建筑结构的自振周期与自然界风速的长越周期较接近，故风对高层建筑的影响越来越大。
1、风荷载概述
1.1空气的水平运动称为风。风是由于空气从气压高处向气压低处流动而形成的,所以气压在水平方向上分布不均匀就是风产生的直接原因。风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分：周期在10min 以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风。由于受地表阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角(一般在±10°范围内)。表征风特性的参数有：1)平均风速剖面；2)紊流风速剖面；3)脉动风速谱；4)湍流积分强度等。边界层中运动的空气可视为低速、不可压缩流体。可根据Bernouli 方程由风速确定风压。风压是建筑结构设计中基本的设计依据之一,其取值大小对高层建筑物的经济、适用与安全有密切的关系。基本风压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的压力，根据全国各台站重现期50 年的最大风速作为当地的基本风速V0，再按贝努利方程确定基本风压W0：
Wo =1/2 ρVo2
选取自记10min 平均最大风速作为统计样本，计算风压时必须考虑台站的空气密度的影响。空气密度公式如下：
其中，e 为水汽压,hPa；t 为温度，℃；P 为大气压， hPa。风压作用将产生的结果：1)使结构或构件产生过大的内力和不稳定；2)使结构物产生过大的撓度或变形，引起外墙和装饰材料的破坏；3)由反复的风振动作用，引起结构或构件疲劳损坏；4)由于风振作用即动态运动，使建筑物的居位者产生不舒适感。
1.2风荷载
（1）风荷载的种类及特点
风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括三个部分：1）平均风压产生的平均力；2）脉动风压产生的随机脉动力；3）由于风致建筑物振动产生的惯性力。对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：1）风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；2）风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；3）对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；4）结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；5）脉动风的强度、频率、风向是随机的；6）风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。
2、高层建筑结构特征分析
在高层及超高层建筑设计中,侧向刚度是主要考虑的因素,能准确判断建筑侧向刚度的参数为水平位移指标, 即建筑顶端最大位移与建筑总高度之比, 因此建立水平位移指标的限值是一个重要的设计规定。高层建筑所受风荷载呈倒三角形分布，其剪力则呈正三角形分布，因此，为抵抗风荷载所需要的结构刚度宜为下大上小渐变分布（见图1）。
图1 水平荷载作用下的刚性设计
对高层建筑结构在风荷载作用下的变形主要有两方面的限制:一是限制结构的顶端水平位移与总高度的比值, 目的是控制结构的总变形量；二是限制相邻两层楼盖间的相对水平位移与层高的比值,目的是防止填充墙、装饰部件的损坏,避免电梯轨道和管道等设施产生过大的变形。在正常使用条件下, 高层建筑结构应处于弹性状态并具有足够的刚度, 避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用条件。为此，在高层结构中通常以柱、墙和筒体作为基本抗侧单元（见图2），用于不同建筑高度和结构类型保证足够的抗侧刚度。同时，这些结构体系又影响着建筑体型的设计。
图2高层结构基本抗侧单元
3、高层建筑体型设计方法
建筑体型设计可从平面形状和竖向型体两方面考虑，同时考虑平面与竖向的组合关系，通过合理的建筑体型可以有效的减轻风荷载对建筑的影响[3]：
3. 1 平面设计
1）流线形平面：圆形、椭圆形等流线形平面，其顺风力和扭力矩都比较小，可比矩形平面减少20%-40%的风荷载，宜为高层建筑抗风设计的优选平面。
2）正多边平面：正多边形平面体型系数小、多向对称，顺风力、横风力差别不大，扭力矩影响很小。对于平面转角尤其是具有锐角的三角形等，可采用切角处理以减小角落效应和应力集中现象。可为高层建筑抗风设计的常用平面。
3）复杂平面：由于高层建筑功能的复杂性及相关诸多影响因素，往往不能仅仅使用简单的流线形或正多边平面。L、T、H、Y、十及槽形等平面形状亦为常用，此时，平面设计的关键是要结合风向控制平面突出长度并选择有利于减小体型系数的朝向。
3. 2 型体设计
1）选择锥状型体：上小下大的锥体和台体有利于避免最大风荷载并减小建筑受风面积（见图4），可以有效减小倾覆力矩。同时，高层建筑外柱倾斜可以增大抗推刚度，产生反向水平分力，可使侧移减少10%-50%。
图4不同体型结构荷载
2）控制体型比例：建筑的三维比例对背风涡流区及风压分布有着较大影响（见图5），分析可得高层建筑长度L、宽度B、高度H 之间有利于结构抗风的比例宜为：H/B 适宜3~4 不大于6，L/B 适宜2~3，不大于4。
图5建筑体型与背风涡流区的关系
3. 3 刚度设计
1）提高抗侧刚度：高层结构除了要保证足够的抗侧刚度外，其刚度宜为下大上小、渐变分布，这可以通过建筑体型和内部抗侧结构的刚度分布来实现。对于锥体和台体，其体型所提供的刚度分布自身可以满足。对于柱体建筑，由于体型上下均匀，可通过改变内部抗侧构件的截面大小来满足结构刚度的渐变分布。
2）并联高层楼群：每一个独立的高层建筑如同独立的悬臂结构，当建筑高度较大时要满足结构抗侧移刚度则有难度。可将单体高层建筑顶部利用立体桁架或连接体建筑连为并联高楼群（见图6），其顶点侧移可减为独立悬臂结构的1/4 左右。
图6 井联高层楼群示意
4、刚性模型风洞试验数据处理的方法
风洞试验是结构风工程领域极其重要而且不可缺少的研究手段。由于许多建筑尚处于设计阶段，无法进行现场实测。所以现在基本上还只能采用缩尺模型风洞试验的方法来确定作用在结构上的风荷载。
用于建筑结构的缩尺模型风洞试验可分为刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验。前者忽略了来流之间的相互耦合用，主要用来测量作用在结构上的平均风荷载和脉动风荷载。后者考虑了结构来流之间的相互耦合作用，主要用来测定结构在边界风场中的动力响应。但是因为气动弹性模型风洞试验要求满足一系列的相似条件，虽然精度高，但是难度大，所耗的人力、物力和财力较大。因此刚性模型风洞试验是目前用得最为广泛的一种方法。风洞试验测得的数据是时间历程，参考文献提出了多阶模态力法，其基本思路是将各测点的脉动风压和结构的各阶模态相乘转换为相应的模态力，采用振型叠加法在广义坐标中求出结构的响应。它的优点在于只要在刚性风洞试验中输出各阶模态力系数和模态力谱，就能快捷的计算得到结构的风振响应和风振系数。
结束语
风荷载无论从建筑还是结构方面都对高层建筑有着重要影响。风荷载的作用与高层建筑的体型设计有着密切关系，通过科学合理的建筑体型选择与设计，不仅能使高层建筑结构更加安全可靠，而且能极大的改善建筑自身及周边的环境。高层建筑的抗风设计要结合地域气候条件、规划布局特点、建筑体型设计、防风构造措施以及生态建筑技术，以创造安全、舒适的人居环境。
参考文献
【1】哈莉娅．达力列汗．高层建筑风荷载及其抗风设计【J】．工业建筑，2005．35：271～275．
【2】张相庭．结构风工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006．
【3】黄本才．结构抗风分析原理及应用【J】．同济大学出版社，2001．
【4】中华人民共和国国家标准—建筑结构荷载规范（GB50009-2001）2006年版)
【5】林家浩，钟万勰．关于虚拟激励法与结构随机响应的注记【J】．1 5(2)．
【6】楼文娟.杨毅.庞振钱.刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法【J】空气动力学学报，2005.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。