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【摘 要】提高建筑总体抗风能力的概念设计。从对风荷载的认识出发，分析风荷载的危害，总结了高层建筑抗风的概念设计。
【关键词】高层建筑结构；风荷载；高宽比；侧移；风洞实验
1 引 言
高层建筑结构除了抵抗竖向荷载之外，风荷载和地震作用往往是结构设计的主要影响因素，它们主要是水平荷载。风作用出现的概率较大，而地震作用是偶然不经常的水平和竖向荷载，大风作用的时间较长，空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力和吸力，这种风力作用称为风荷载。风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变。实际上，风荷载是随时间而波动的动力荷载。
2 风荷载对建筑的影响
2.1 风加速度产生的结构位移
风是紊乱的随机现象，风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体形较规则、高度不太大的单幢高层建筑。高度300M以下的高层建筑可按照荷载规范规定的方法计算风荷载值，规范只要求用适当加大风荷载数值的方法考虑动力效应，风荷载仍然作为静力荷载计算结构内力和位移，对于高度较大且比较柔软的高层建筑，随着高层建筑高度的不断增加，风作用效应增大，位移增加最快（如图1）因而引起的动力效应也不能忽视了。要考虑动力效应的影响，用经验公式估算顶点加速度效应。由于我国高层建筑的高度逐渐增大，规范和规程要求少数建筑（高度大、对风荷载敏感或有特殊情况者）还要通过风洞实验确定风荷载和风的动力反应，以补充规范的不足。
图1 随着高度增大，位移增加最快，弯矩次之
2.2 风作用下结构刚度影响舒适度
高层结构设计中人们要求在50年或100年重现期的风作用下结构仍然能正常使用，也就是要求结构处于弹性和小位移状态，风可以有一定的倾角在+10度到-10度内变化，结构除了受水平力外还有上下作用的竖向力。抗风设计主要是基于承载力的设计，对于高度较高的高层建筑，还要保证2～10年重现期的风荷载作用下人处于舒适状态，因而需要计算风作用下的加速度，当建筑物加速度小于0.005g时人是没有感觉的，当大于0.015g时居住者就会感觉不舒适，在其间值时人轻微有感；按照10年一遇的风荷载取值计算或专门风洞实验研究确定的结构顶点最大加速度不应超过限值，对住宅、公寓最大加速度不大于0.15m/s2。对办公楼、旅馆则不大于0.25 m/s2.，采用钢筋混凝土结构的主要原因是为满足人的舒适度要求，一般情况下混凝土结构阻尼比取0.02时才能满足人们的舒适度要求。当大风引起建筑物的加速度较大时，容易引起维护结构的疲劳破坏，只能通过安装阻尼器或增加纵向结构来提高其在水平力作用下的刚度。
3 概念设计
3.1 控制结构高宽比
高层建筑不仅需要较大的承载力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形通过楼层层间最大水平位移与层高的比值限制在一定范围内，因为过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用。另外过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。因此需要根据结构高度选择合理的结构体系外，还要恰当地设计和选择建筑物的平面形状、剖面和总体型。高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾。而且随着高度的增加倾覆力矩也将迅速增大。因此建造宽度很小的建筑物是不适宜的。一般应将结构的高宽比H/B控制在一定数值内比如剪力墙最大高宽比在5～7，抗震设防烈度9度时最大高宽比为4。
当结构高宽比较大、结构顶点风速大于临界风速时，可能引起较明显的结构横风向振动，甚至出现横风向振动效应大于顺风向作用效应的情况。结构横风向振动问题比较复杂，与结构的平面形状、竖向体型、高宽比、刚度、自振周期和风速都有一定关系。对抗风有利的平面形状是简单规则的凸平面，如圆形、正多边形，椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹凸的复杂形状平面，如V形、Y形、H形、弧形等平面。当结构体型复杂时，宜通过空气弹性模型的风洞试验确定横风向振动的等效风荷载；
3.2 风洞实验检测复杂建筑风荷载
当房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞实验判断确定建筑物的风荷载：
a) 平面形状或立面形状复杂；
b) 立面开洞或连体建筑；
c) 周围地形和环境较复杂。
风荷载的影响因素复杂，需要研究的问题很多，而且规范条文也难以概括，风洞试验是一种有效的测量大气边界层范围内风对建筑物作用和获得风动力反应的手段。风洞试验可以测得较高高层造成的较强的地面风以及多个高层建筑之间因群体效应造成的风通道的有效数值。
国内外对对高层建筑进行的一些风洞试验得到的风荷载沿建筑物高度的分布规律与规范给出的分布规律往往有所不同，在建筑物的2/3～3/4高度以上，风压力可能减小，由此计算风荷载作用下的侧移和内力都会减小，这将大大影响设计的结果。另外通过研究和对一些超高层建筑物顶部实测风速的研究结论是建筑物顶部风速小于规范给定值。
3.3 群高层建筑的风干扰
此外对城市中成片地兴建高层建筑，使建筑物之间风的相互干扰问题日渐突出。尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予注意。
4 结 论
高层建筑在风荷载下设计时应注意建筑物自身的高宽比、采用合理的平面及规则的立面形状、控制水平荷载作用下的侧移以及为减小裙楼效应而采用合理的楼间距。
参考文献：
[1] 包世华.新编高层建筑结构[M].北京：中国水利水电出版社，2003年
[2] GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S] .2002年
【关键词】高层建筑结构；风荷载；高宽比；侧移；风洞实验
1 引 言
高层建筑结构除了抵抗竖向荷载之外，风荷载和地震作用往往是结构设计的主要影响因素，它们主要是水平荷载。风作用出现的概率较大，而地震作用是偶然不经常的水平和竖向荷载，大风作用的时间较长，空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力和吸力，这种风力作用称为风荷载。风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变。实际上，风荷载是随时间而波动的动力荷载。
2 风荷载对建筑的影响
2.1 风加速度产生的结构位移
风是紊乱的随机现象，风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体形较规则、高度不太大的单幢高层建筑。高度300M以下的高层建筑可按照荷载规范规定的方法计算风荷载值，规范只要求用适当加大风荷载数值的方法考虑动力效应，风荷载仍然作为静力荷载计算结构内力和位移，对于高度较大且比较柔软的高层建筑，随着高层建筑高度的不断增加，风作用效应增大，位移增加最快（如图1）因而引起的动力效应也不能忽视了。要考虑动力效应的影响，用经验公式估算顶点加速度效应。由于我国高层建筑的高度逐渐增大，规范和规程要求少数建筑（高度大、对风荷载敏感或有特殊情况者）还要通过风洞实验确定风荷载和风的动力反应，以补充规范的不足。
图1 随着高度增大，位移增加最快，弯矩次之
2.2 风作用下结构刚度影响舒适度
高层结构设计中人们要求在50年或100年重现期的风作用下结构仍然能正常使用，也就是要求结构处于弹性和小位移状态，风可以有一定的倾角在+10度到-10度内变化，结构除了受水平力外还有上下作用的竖向力。抗风设计主要是基于承载力的设计，对于高度较高的高层建筑，还要保证2～10年重现期的风荷载作用下人处于舒适状态，因而需要计算风作用下的加速度，当建筑物加速度小于0.005g时人是没有感觉的，当大于0.015g时居住者就会感觉不舒适，在其间值时人轻微有感；按照10年一遇的风荷载取值计算或专门风洞实验研究确定的结构顶点最大加速度不应超过限值，对住宅、公寓最大加速度不大于0.15m/s2。对办公楼、旅馆则不大于0.25 m/s2.，采用钢筋混凝土结构的主要原因是为满足人的舒适度要求，一般情况下混凝土结构阻尼比取0.02时才能满足人们的舒适度要求。当大风引起建筑物的加速度较大时，容易引起维护结构的疲劳破坏，只能通过安装阻尼器或增加纵向结构来提高其在水平力作用下的刚度。
3 概念设计
3.1 控制结构高宽比
高层建筑不仅需要较大的承载力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形通过楼层层间最大水平位移与层高的比值限制在一定范围内，因为过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用。另外过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。因此需要根据结构高度选择合理的结构体系外，还要恰当地设计和选择建筑物的平面形状、剖面和总体型。高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾。而且随着高度的增加倾覆力矩也将迅速增大。因此建造宽度很小的建筑物是不适宜的。一般应将结构的高宽比H/B控制在一定数值内比如剪力墙最大高宽比在5～7，抗震设防烈度9度时最大高宽比为4。
当结构高宽比较大、结构顶点风速大于临界风速时，可能引起较明显的结构横风向振动，甚至出现横风向振动效应大于顺风向作用效应的情况。结构横风向振动问题比较复杂，与结构的平面形状、竖向体型、高宽比、刚度、自振周期和风速都有一定关系。对抗风有利的平面形状是简单规则的凸平面，如圆形、正多边形，椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹凸的复杂形状平面，如V形、Y形、H形、弧形等平面。当结构体型复杂时，宜通过空气弹性模型的风洞试验确定横风向振动的等效风荷载；
3.2 风洞实验检测复杂建筑风荷载
当房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞实验判断确定建筑物的风荷载：
a) 平面形状或立面形状复杂；
b) 立面开洞或连体建筑；
c) 周围地形和环境较复杂。
风荷载的影响因素复杂，需要研究的问题很多，而且规范条文也难以概括，风洞试验是一种有效的测量大气边界层范围内风对建筑物作用和获得风动力反应的手段。风洞试验可以测得较高高层造成的较强的地面风以及多个高层建筑之间因群体效应造成的风通道的有效数值。
国内外对对高层建筑进行的一些风洞试验得到的风荷载沿建筑物高度的分布规律与规范给出的分布规律往往有所不同，在建筑物的2/3～3/4高度以上，风压力可能减小，由此计算风荷载作用下的侧移和内力都会减小，这将大大影响设计的结果。另外通过研究和对一些超高层建筑物顶部实测风速的研究结论是建筑物顶部风速小于规范给定值。
3.3 群高层建筑的风干扰
此外对城市中成片地兴建高层建筑，使建筑物之间风的相互干扰问题日渐突出。尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予注意。
4 结 论
高层建筑在风荷载下设计时应注意建筑物自身的高宽比、采用合理的平面及规则的立面形状、控制水平荷载作用下的侧移以及为减小裙楼效应而采用合理的楼间距。
参考文献：
[1] 包世华.新编高层建筑结构[M].北京：中国水利水电出版社，2003年
[2] GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S] .2002年