隨著現(xiàn)在建筑美學(xué)的發(fā)展和使用功能的要求，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)朝著高層和大跨度的方向發(fā)展。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載越來越重要，有時(shí)至起決定性的作用。該文主要闡述作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓、風(fēng)力和風(fēng)振系數(shù)、高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)振響應(yīng)的精確方法，并介紹了高層建筑的風(fēng)振控制的多種方法。
目前世界上正在經(jīng)歷著史無前例的高層、超高層建筑建設(shè)高峰。芝加哥西爾斯大廈（Sears tower）曾以443m的高度穩(wěn)坐世界最高建筑物寶座26年。而現(xiàn)在世界上，擬建、在建和已建的400m以上的結(jié)構(gòu)有37棟，尤以正在建造且已超過700m的迪拜大廈（Burj Dubai）為首。發(fā)達(dá)國家甚至提出了千米高度量級的“空中城市”的概念。隨著結(jié)構(gòu)高度的增加和高強(qiáng)材料的使用，低阻尼、高柔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)更加顯著，使得強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載成為結(jié)構(gòu)安全性和舒適性設(shè)計(jì)的控制荷載。
從Davenport最早將隨機(jī)概念和方法引入建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究30多年以來，在建筑結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向荷載及響應(yīng)的研究方面，已逐漸形成比較完善的計(jì)算理論和方法，主要成果也反映在多數(shù)國家的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中。
風(fēng)的特征及風(fēng)壓
風(fēng)是空氣相對于地面的運(yùn)動(dòng)。由于太陽對地球上大氣加熱和溫度上升的不均勻性，從而在地球相同高度的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生壓力差，這樣使不同壓力差的地區(qū)產(chǎn)生了趨于平衡的空氣流動(dòng)，便形成了風(fēng)。
大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，近地風(fēng)的平均風(fēng)速隨著高度的升高而增大，同時(shí)對應(yīng)于不同的地面粗糙度具有不同的變化規(guī)律。通�？刹捎蔑L(fēng)速剖面來描述平均風(fēng)。平均風(fēng)剖面是微氣象學(xué)研究風(fēng)速變化的一種方法。目前，氣象學(xué)家認(rèn)為用對數(shù)律表示大氣底層強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速廓線比較理想，其表達(dá)式為
式中——大氣底層內(nèi) 高度處的平均風(fēng)速；
——摩擦速度或流動(dòng)剪切速度；
K——卡曼（Karman）常數(shù)，k 0.40；
——地面粗糙長度（m）；
——有效高度（m）：
=，
其中z——離地高度（m）；
——零平均位移（m）。
風(fēng)壓是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本設(shè)計(jì)依據(jù)之一，其取值的大小對高層（高聳）和大跨度結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性及是否經(jīng)濟(jì)有密切的關(guān)系.基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地比較離地10m高統(tǒng)計(jì)所得的50年一遇10min平均最大風(fēng)速、按確定的風(fēng)壓。基本風(fēng)壓值不得小于0.3kN/m2。我國不同城市和地區(qū)的基本風(fēng)壓直接查用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的全國基本風(fēng)壓分布圖。當(dāng)城市或建設(shè)地點(diǎn)的基本風(fēng)壓不能查收時(shí)，基本風(fēng)壓值可根據(jù)當(dāng)?shù)啬曜畲箫L(fēng)速資料，按基本風(fēng)壓定義，通過統(tǒng)計(jì)分析確定。
風(fēng)荷載的計(jì)算
風(fēng)力的計(jì)算。風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要荷載，在工程計(jì)算中，常采用集中風(fēng)荷載
式中，為順風(fēng)向z高度處總靜力風(fēng)荷載；為順風(fēng)向z高度處靜力風(fēng)荷載；為順風(fēng)向z高度處風(fēng)振動(dòng)力風(fēng)荷載。
式中，Az為垂直于建筑物表面上平均風(fēng)荷載受風(fēng)面積（m2）；
為風(fēng)荷載體型系數(shù)；
為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；
為基本風(fēng)壓。
風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算。風(fēng)振系數(shù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，習(xí)慣用等效靜力風(fēng)荷載來考慮風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)。而等效靜力風(fēng)荷載可以用靜力風(fēng)荷載和風(fēng)振系數(shù)的乘積表示，所以對風(fēng)振系數(shù)的研究就顯得尤為重要。常用的風(fēng)振系數(shù)有荷載風(fēng)振系數(shù)和位移風(fēng)振系數(shù)。荷載風(fēng)振系數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)靜動(dòng)力風(fēng)荷載的總和與靜力風(fēng)荷載的比值，即：位移風(fēng)振系數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)靜動(dòng)位移的總和與靜位移的比值，即：
位移風(fēng)振系數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)靜動(dòng)位移的總和與靜位移的比值，即
式中，u、和分別為總風(fēng)響應(yīng)、平均風(fēng)響應(yīng)和脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)。
高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)振計(jì)算。我國的《建筑筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）規(guī)定：對于構(gòu)筑物，當(dāng)高層（高聳）建筑和大跨度屋蓋自振基本周期T≥0.25s時(shí)，或?qū)τ诮ㄖ�，�?dāng)高度超過30m且高寬比大于1.5時(shí)，（對于廠房，跨度在36m以上）建議考慮風(fēng)振影響。對于T≥0.25s的構(gòu)筑物和高度小于30m或高寬比小于1.5的房屋建筑，以及小于上述跨度的屋蓋，雖然也存在少量風(fēng)壓脈動(dòng)的影響，但此時(shí)往往按構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，因而一般不考慮風(fēng)振影響。然而，隨著我國建筑的飛速發(fā)展，很多建筑結(jié)構(gòu)都進(jìn)入了要考慮風(fēng)振的影響的行列。我國規(guī)范給出了高層結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的風(fēng)振系數(shù)。在z高度處的風(fēng)振系數(shù)zb的計(jì)算公式如下
。
式中分別為脈動(dòng)增大系數(shù)、脈動(dòng)影響系數(shù)和振型系數(shù)，三者可以查規(guī)范的表格得到。zm為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。
高層建筑風(fēng)振控制
高層建筑的風(fēng)振控制有多種方法，包括調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡稱TMD）、調(diào)頻液柱阻尼器（Tuned Liquid Damper，簡稱TLCD）、調(diào)頻液體阻尼器（Tuned Liquid Damper，簡稱TLD）、擋風(fēng)板（Aerodynamic Appendays）控制、錨索控制、粘彈性阻尼器一類的耗能構(gòu)件控制等，其中，調(diào)頻質(zhì)量阻尼器、擋風(fēng)板控制和錨索控制等又分主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，本文只對調(diào)頻質(zhì)量阻尼器和調(diào)頻業(yè)主阻尼器和粘彈性阻尼器等比較常見的被動(dòng)風(fēng)振控制方法進(jìn)行介紹。
調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）
調(diào)頻質(zhì)量阻尼器在實(shí)際高層中已得到應(yīng)用，例如1977年在美國波士頓約翰漢考克大廈（John Hancock Tower，Boston）和1978年在紐約西蒂柯布中心（Citicorp Center，New York）分別安裝了調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，西蒂柯布中心安裝的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)。
調(diào)頻液柱阻尼器（TLCD）。調(diào)頻液柱阻尼器是一種U型的管狀水箱，并在水平管得中不設(shè)置格蘭，為的是增加阻尼。U型的管狀水箱安裝固定在建筑物的頂部。當(dāng)建筑物在風(fēng)荷載作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，水箱將一同運(yùn)動(dòng)一同運(yùn)動(dòng)，致使水箱中的水晃動(dòng)，水晃動(dòng)產(chǎn)生的慣性力對水箱壁的作用就形成了對建筑物的減振力。
粘彈性阻尼器。正如減速器能使門的關(guān)閉速度減緩那樣，在高層建筑物內(nèi)部安裝粘彈性阻尼器，同樣能達(dá)到減小結(jié)構(gòu)物擺動(dòng)的目的。粘彈性阻尼器已成功地應(yīng)用于美國紐約世界貿(mào)易中心（110層）和西雅圖哥倫比亞中心（77層）等大樓中。
在高層建筑和大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)是計(jì)算的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。我國的規(guī)范提供高層高聳結(jié)構(gòu)在順向風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法，這一方法不太適用于復(fù)雜高層建筑和大跨度建筑。因此，在復(fù)雜的高層建筑和大跨度建筑設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載的確定需要采用其它更精確的方法來確定。
