高层建筑结构的抗风设计

高层建筑结构的抗风设计【摘要】随着高层建筑的逐渐普及，高层建筑遇到的问题也越来越多，其中最突出的就是风的影响，为了减少风的影响，本文从高层建筑结构的受力特点、风对建筑结构的作用及结构的风效应、高层建筑结构的抗风设计，以及高层建筑结构设计的优化这四个方面对高层建筑结构的抗风设计进行阐述。【关键词】高层建筑；建筑结构；抗风；设计一、前言地球大气层不断的流动将会产生风流，在靠近地面处风流速度比较小，在高处风流速度将会激增，随着高层建筑的普及，风对于高层建筑的安全影响越来越大，因此，我们需要对高层建筑进行防风设计，提高建筑安全性。二、高层建筑结构的受力特点1.空间整体作用实际的房屋建筑都是空间结构，是空间受力的，简化为平面框架计算只适用于最简单的情况。因此，次梁的端弯矩、梁的扭矩在设计中都应考虑，柱和墙的轴力不能简单地按荷载面积计算。2.水平力起控制作用高层建筑由于地震和风产生的内力往往大于竖向荷载产生的内力，因此组合内力分布不同于低层建筑。如梁的端弯矩可能大于跨中弯矩等等。3.柱、墙的轴向变形影响由于层数多、高度大，墙、柱轴向变形逐渐积累，对内力产生明显影响，设计人员必须决定是否考虑施工过程模拟的问题。三、风对建筑结构的作用及结构的风效应对于风场中的建筑物，风对建筑物的作用力总体上可分为：在建筑物的迎风面产生压力(气体流动产生的阻力)，包括静压力和动压力；在横风向产生横风向干扰力(气体流动产生的升力)；空气流经建筑物后产生的涡流干扰力(包括背风向的吸力)。这些风荷载随着风的速度、风的方向、风本身的结构及作用的建筑物的体型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化，而建筑物在风荷载作用下产生的运动反过来又会影响风场的分布状况，这种相互作用使风荷载更加复杂。一般来说，风对建筑物的作用有以下特点：(1)风对建筑物的作用力包含静力部分和动力部分，且分布不均匀，随作用的位置不同而变化；(2)风对建筑物的作用与建筑物的几何外形有直接关系，主要指建筑物的体型和截面的几何外形；(3)风对建筑物的作用受建筑物周围的环境影响较大。周围环境的不同会对风场的分布影响很大；(4)与地震相比较，风力作用持续时间较长．有时甚至几个小时，同时作用也频繁。对于建筑结构来说，其风效应包括：结构的平均风静力反应、脉动风振反应、旋涡干扰风振反应及结构的自激振动反应。1.结构的平均风静力效应：由于平均风变化缓慢周期很大，可等效为静态作用来处理，用结构静力学的方法分析，也就是在计算出风荷载后来分析结构的内力、变形等，必要时分析其稳定性。2.结构顺风向的风振响应：是在平均风和脉动风共同作用下产生的。它与结构的基本自振周期有关，结构越柔，基本周期越长，顺风向动力响应就越大。3.结构横向风的风振响应：引起结构横风向强迫振动的两个主要原因是：尾部激励(旋涡脱落)引起的结构横风向振动；横风向风紊流(侧向脉动风)引起的结构横向风振动。对于圆形截面柱体结构，由于其响应比跨临界共振响应小得多。通常忽略不计。对于非圆形截面的建筑物，特别是窄、高、柔的高层建筑，横风向旋涡随机脱落干扰响应可能超过顺风向响应，因此必须引起重视。4.对于圆柱体细长结构，风致扭转振动响应很小，通常忽略不计。但对于片状结构，矩形高层结构，其风致扭转振动响应相当大。引起这种响应的原因有：a.结构横截面质心与刚心不重合，因而会引起结构的顺风向、横风向与扭转响应的耦联，这时顺风向与横风向动力风荷载都能引起结构的扭转振动响应。b．结构的质心与空气动力中心不重合，这时顺风向与横风向动力风荷载都能对截面质心产生扭转振动响应。c．风紊流引起的脉动风压在结构周边的不均匀分布形成随机脉动扭转。d．旋涡的随机发放使结构背面和侧面的风压不对称干扰而引起扭转振动响应。5.动力风荷载使结构产生振动，结构的振动又反作用于风，从而使结构上的风力随着结构的运动速度的改变而改变，这种与结构运动相关的动力风荷载引起的振动被称为自激振动。当结构在强风作用下其自激振动与结构的阻尼力之和可能为负值，从而使结构振动的振幅越来越大，直至使结构产生严重的破坏。这种破坏现象称为结构的空气动力失稳。空气动力失稳主要有两种：由弯曲或扭转单独为主产生的失稳称为驰振；弯扭耦合产生的失稳称为颤振。四、高层建筑结构的抗风设计1.结构抗风设计必须满足强度设计要求，也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求，确保建筑物住风力作用下不会产生倒塌，开裂和残余变形等破坏现象，以保证结构的安全。2.结构抗风设计必须满足刚度设计要求，也就足说要使结构的位移或者相对位移满足有关的规范要求，以防止建筑物在风力的作用下引起隔墙开裂、建筑装饰和非结构构件因位移过火而损坏。3.结构抗风设计必须满足舒适度设计要求，以防止居住者在风力作用F引起的摆动造成的不舒适。影响人体感觉不舒适的主要因素有振动频率、振动加速度和振动持续时间。一般采用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的设计要求。4.为防止风力对外墙、玻璃、女儿墙及其他装饰构件的局部损坏，也必须对这些构件进行合理设计。5.结构抗风设计应满足疲劳破坏设计要求。风振引起高层建筑结构或构件的疲劳破坏是高周期疲劳累积损伤的结果。五、高层建筑结构设计的优化1.基础设计，抗风结构需要建立在结构稳定性的基础上，一方面要采用级配比较高的砂石，保证回填材料的密实程度，防止水平作用力对结构产生倾覆性的威胁，另一方面是在基础持力层的底部设置抗拔锚杆，通过锚杆钻孔、杆体制作安装、注浆等，提高抗拔锚杆的应用功能，使得地下室的基础具有足够的抗拔强度。2.耗能减振系统的设置，设计高层建筑非承重构件的时候，利用耗能减振系统减少风荷载对建筑物的作用，系统由耗能支撑、剪力墙、梁柱、楼板等构成，减振系统的设置在结构合理设计的基础上，还要采用粘弹性比较强的阻尼材料，提高其耗能减振的作用。3.水平力和风荷载叠加问题的解决思路，高层建筑面临高风压的问题，风的荷载作用加大结构构件的内力，如果超过其承受的范围之外，将出现水平力和风荷载的重叠，对建筑物产生一定的结构性破坏作用。因此高风压区域要进行加固设计，一方面要分析水平风压的作用力大小以及影响程度，另一方面控制影响建筑物水平压力的土压力，在此基础上增大结构的水平荷载内力，并采用强度较高的钢筋混凝土，以便控制结构构件的钢筋含量，减缓水平力风荷载叠加带来的负面影响。4.提高建筑物的承载力和刚度也是抗风设计的主要内容之一，根据风荷载的多变性和复杂性的特点，笔者认为承载力和风荷载务必经过周密计算，并根据相关的规范设计要求，通过合理的结构设计提高建筑物的抗风能力。六、结语随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载更加敏感，抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。因此，建筑行业对于高层建筑的风速和风压测试相当的重视，通过对一些