摘要：通過對風(fēng)荷載的定義、標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算闡述，分析風(fēng)荷載影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，總結(jié)了高層建筑抗風(fēng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；風(fēng)荷載；標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算；設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1引言
按作用方向分類，建筑結(jié)構(gòu)除了抵抗豎向作用力之外，還要承受水平作用，最主要的就是承受風(fēng)荷載和水平地震荷載。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往水平荷載起著決定性作用，隨著建筑層數(shù)的增加，高度的增加，體型復(fù)雜性系數(shù)加大，風(fēng)荷載更是成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制要素。本文僅對風(fēng)荷載的定義和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)做如下淺析：
2風(fēng)荷載的含義
2.1風(fēng)荷載定義
風(fēng)荷載也稱風(fēng)的動壓力，是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關(guān)。
2.2風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算
當(dāng)計(jì)算主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計(jì)算：
Wk=βz?s?zW0
式中Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2），βz為高度處的風(fēng)振系數(shù)，?s為風(fēng)荷載體型系數(shù)，?z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，W0為基本風(fēng)壓。
2.1.1基本風(fēng)壓
基本風(fēng)壓是指某一地區(qū)，風(fēng)力在迎風(fēng)表面產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值，是某一地區(qū)風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。基本風(fēng)壓是以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦的地面上離地10m高統(tǒng)計(jì)所得的50年一遇10min平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，按基本風(fēng)壓=最大風(fēng)速的平方/1600確定的風(fēng)壓值（《建筑荷載規(guī)范》附錄）。基本風(fēng)壓對高層建筑物的經(jīng)濟(jì)、適用、耐久性有密切關(guān)系。
基本風(fēng)壓按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附表中給出的50年一遇的風(fēng)壓采用，但不得小于0.3KN/m2。對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，承載力計(jì)算時(shí)候基本風(fēng)壓均須提高。一般情況下，高度在60m以上的高層建筑可按100年一遇風(fēng)壓值采用。
2.1.2風(fēng)壓高度變化系數(shù)
風(fēng)壓高度變化系數(shù)是反映風(fēng)壓隨不同場地、地貌和高度變化規(guī)律的系數(shù)。以規(guī)定離地面高度的風(fēng)壓為依據(jù)，為不同高度風(fēng)壓與規(guī)定離地面高度風(fēng)壓的比值。該系數(shù)按照地面粗糙度確定，可分為A、B、C、D四類。A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。下圖為加拿大某研究機(jī)構(gòu)多次觀測資料整理出來的不同地貌下平均風(fēng)壓沿建筑物高度的變化規(guī)律，可以看出，由于地表摩擦的結(jié)果，使得接近地面的風(fēng)速隨著離地面的高度降低而減低。
圖1不同地貌下平均風(fēng)壓沿建筑物高度的變化規(guī)律
2.1.3風(fēng)荷載體形系數(shù)
風(fēng)，經(jīng)過建筑物，往往正面為壓力，側(cè)面和背面為吸力。可見各面上的風(fēng)壓力其實(shí)是不均勻的，有正有負(fù)。風(fēng)荷載體形系數(shù)其實(shí)就是這個(gè)各面上的風(fēng)壓力平均值和基本風(fēng)壓的比值，它描述的是建筑物表面在風(fēng)荷載在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜壓力的分布情況，主要和建筑物的體型和尺度有關(guān)，也和周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。對于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定。
圖2不同建筑平面的體型系數(shù)
2.1.4風(fēng)振系數(shù)
風(fēng)振系數(shù)是指風(fēng)對建筑物的作用是不規(guī)則的，風(fēng)壓隨風(fēng)速、風(fēng)向的紊亂變化而不停地改變。通常把風(fēng)作用的平均值看成穩(wěn)定風(fēng)壓或平均風(fēng)壓，實(shí)際風(fēng)壓是在平均風(fēng)壓上下波動的。平均風(fēng)壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而波動風(fēng)壓使建筑物在該側(cè)移附近左右振動。對于高度較大，剛度較小的高層建筑，波動風(fēng)壓會產(chǎn)生不可忽略的動力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中必須考慮。
3 風(fēng)荷載作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)特征
在高層建筑中，豎向荷載對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。對一些較柔的高層建筑，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，隨著建筑物高度的增高，風(fēng)荷載的影響越來越大。高層建筑所受風(fēng)荷載承倒三角形分布，剪力呈正三角形分布，因此抵抗風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)剛度宜下大上小分布（見圖3）。
3.1.1建筑結(jié)構(gòu)變形控制
對高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形要控制兩方面：一是限制結(jié)構(gòu)頂端水平位移與總高度的比值，二是限制相鄰樓蓋間的相對水平位移與層高的比值，目的是防止填充墻、裝飾構(gòu)件的損壞，避免電梯軌道和管道設(shè)施等產(chǎn)生較大的變形，保證在正常使用情況下，建筑物處于彈性狀態(tài)并保持足夠的剛度，避免產(chǎn)生較大的唯一而影響結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性。
3.2建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì) 抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要是基于承載力的設(shè)計(jì)，對于高度較高的高層建筑，還要保證2～10年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載作用下人處于舒適狀態(tài)，因而需要計(jì)算風(fēng)作用下的加速度，當(dāng)建筑物加速度小于0.005g時(shí)人是沒有感覺的，當(dāng)大于0.015g時(shí)居住者就會感覺不舒適，在其間值時(shí)人輕微有感；按照10年一遇的風(fēng)荷載取值計(jì)算或?qū)ｉT風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究確定的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度不應(yīng)超過限值，對住宅、公寓最大加速度不大于0.15m/s2。對辦公樓、旅館則不大于0.25m/s2.，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要原因是為滿足人的舒適度要求，一般情況下混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02時(shí)才能滿足人們的舒適度要求。當(dāng)大風(fēng)引起建筑物的加速度較大時(shí)，容易引起維護(hù)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，只能通過安裝阻尼器或增加縱向結(jié)構(gòu)來提高其在水平力作用下的剛度。 3.3建筑結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)
高層建筑不僅需要較大的承載力，而且需要較大的剛度，使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形通過樓層層間最大水平位移與層高的比值限制在一定范圍內(nèi)，因?yàn)檫^大的側(cè)向變形會使人不舒服，影響使用。另外過大的側(cè)向變形會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，甚至損壞。因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)高度選擇合理的結(jié)構(gòu)體系外，還要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和選擇建筑物的平面形狀、剖面和總體型。一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比h/b控制在一定數(shù)值內(nèi)比如剪力墻最大高寬比在5～7，抗震設(shè)防烈度9度時(shí)最大高寬比為4。 當(dāng)結(jié)構(gòu)高寬比較大、結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，可能引起較明顯的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動，甚至出現(xiàn)橫風(fēng)向振動效應(yīng)大于順風(fēng)向作用效應(yīng)的情況。對抗風(fēng)有利的平面形狀是簡單規(guī)則的凸平面，如圓形、正多邊形，橢圓形、鼓形等平面。對抗風(fēng)不利的平面是有較多凹凸的復(fù)雜形狀平面，如v形、y形、h形、弧形等平面。當(dāng)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜時(shí)，宜通過空氣彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)確定橫風(fēng)向振動的等效風(fēng)荷載。 4結(jié)論 風(fēng)荷載對于高層建筑結(jié)構(gòu)安全可靠性有著重要的影響。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格測算風(fēng)荷載，把控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合地域地貌，科學(xué)合理的進(jìn)行高度體型設(shè)計(jì)，采用有效的防風(fēng)構(gòu)造措施，控制水平荷載作用，打造安全、舒適的高層居住環(huán)境。
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