超高层建筑结构周期和阻尼比对风荷载作用的影响

文｜中冶京诚工程技术有限公司 夏兵 汪明

1、引言

随着我国经济的快速发展，各地兴建了大量的超高层结构，在这些超高层结构中，结构体系多为钢-混凝土混合结构以及钢框架支撑结构。在这些超高层建筑结构抗侧力体系设计中，地震作用和风荷载是最主要的横向荷载。对于处于地震低烈度地区的超高层建筑，风荷载往往起控制作用。所以了解风荷载的计算方法和控制因素对确定结构方案至关重要。影响风荷载的因素很多，包括地面粗糙度类别、高宽比、深宽比、结构基本周期、阻尼比等，在项目地点、建筑方案确定情况下，对于结构设计而言诸多因素无法改变，例如地面粗糙度类别、高宽比、深宽比；但其中有一些因素是可以由设计人员调整的，例如通过调整结构的刚度来改变结构基本周期，通过采用不同的结构材料或采用设置阻尼器的方法来改变结构的阻尼比等。根据现行的GB5009-2012《建筑结构荷载规范》，结构设计应考虑顺风向风荷载、横方向风振及扭转风振等效风荷载作用。本文将结合工程案例对其中的两个因素（结构周期、阻尼比）分析这三种风荷载对超高层建筑的影响。

2、工程概况

某超高层建筑高度为300米，投影平面尺寸约为45米×45米，100年一遇基本风压0.40 kN/m2，地面粗糙度类别B类，抗震设防烈度为6度，分别采用混合结构和钢结构（钢框架支撑结构）两种不同结构体系的方案进行比较分析，混合结构阻尼比取0.04，钢结构阻尼比取0.02，风荷载体型系数1.4，计算结果表明，大部分抗侧力结构构件承载力由风荷载控制；通过调整结构刚度得出结构基本周期分别为7.6s和8.6s两种不同周期结构方案（由于结构两主轴方向刚度相当，所以在计算顺风向和横风向风荷载时，结构周期均采用第1阶自振周期），下文将具体分析两种结构方案中风荷载的异同。

表1 顺风向风振等效风荷载标准值

图1 顺风向风振等效风荷载标准值比较

图3 顺风向、横风向风振等效风荷载标准值比较

3、风荷载计算

3.1 顺风向风振等效风荷载

根据GB5009-2012《建筑结构荷载规范》8.1~8.4节相关公式，计算在不同结构第一自振周期下钢结构和混合结构的顺风向风振等效风荷载，计算结果见表1和图1。

从图1所示曲线可以看到，对于钢结构或混凝土结构来说，二者各自自振周期为7.6s、8.6s对应的曲线基本重合，从表1数值可知结构基本周期相差1s的情况下，相同结构体系顺风向风振等效风荷载相差仅仅1%左右；可见不同的结构自振周期对顺风向风振等效风荷载影响较小，即结构尺寸确定后调整结构刚度基本不会影响横风向风荷载变化。

从图1曲线中还可以看到，钢结构顺风向风振等效风荷载大于混合结构，随建筑高度的增加差值逐步增大。从表1数值中可知结构高度300米处顺风向风振等效风荷载值比混合结构大10%左右；可知结构阻尼比对顺风向等效风荷载有一定的影响，但影响不大。

3.2 横风向风振等效风荷载

从图2所示曲线可以看到，结构的横风向第1阶自振周期对横风向风荷载影响较大，可以判断出结构尺寸确定后调整结构刚度将会影响横风向风荷载的大小，结构刚度越小，横风向风荷载值越大；从表2数值可知结构横风向第1阶自振周期相差1s的情况下，随建筑高度的增加横风向风荷载值相差逐步增大，300米高度处相差17%左右。

表2 横风向风振等效风荷载标准值

从图2曲线中还可以看到，结构的阻尼比对横风向风荷载也有很大的影响，钢结构横风向风振等效风荷载远大于混合结构；从表2数值可知随结构高度增加二者差值逐渐增大，300米高度处相差30%左右。

从图3所示曲线可以看到，对于钢结构或混合结构来说，横风向风振等效风荷载大于顺风向风振等效风荷载，同时结构刚度相同时钢结构横风向风振等效风荷载大于混合结构横风向风振等效风荷载；

3.3 扭转风振等效风荷载

经计算结构的高宽比H/=300/=6.67,深宽比D/B=45/45=1，不满足GB5009-2012《建筑结构荷载规范》附录H.3.1的计算条件要求：高宽比H/≤6、D/B在1.5~5范围内，无法按荷载规范进行计算，宜进行风洞试验，按试验结果进行设计，故在此不进行深入讨论。

4、结论

本文针对某超高层建筑的两种不同结构形式，按照《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）

分别计算顺风向和横风向风荷载。针对不同结构周期和阻尼比情况下风荷载沿高度分布进行了详细的比较。对于形状比较规则的超高层建筑：

（1）调整结构第1阶自振周期基本不会影响顺风向风振等效风荷载值变化，结构阻尼比对顺风向风振等效风荷载有一定的影响，但影响不大。

（2）结构横风向第1阶自振周期对横风向风振等效风荷载值影响显著，横风向第1阶自振周期越长，横风向风振等效风荷载值越大；结构的阻尼比对横风向风振风荷载影响较大，结构阻尼比越小，横风向风振等效风荷载值越大。

（3）对于基本风压较大，抗震设防烈度较低的地区，超高层建筑宜优先考虑采用混合结构方案。

（4）当采用钢结构方案时，可通过调整结构的刚度来降低横风向风荷载值，或通过设置阻尼器等方式增加结构阻尼比，达到减小风荷载值的目的。建议通过对多种结构方案进行详细比较，确定最经济合理的结构形式。