高层建筑结构在风荷载作用响应问题研究

范 佳

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

高层建筑结构在风荷载作用响应问题研究

范 佳

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

随着社会经济的高速发展，城市低层建筑已不能满足人类的居住需求，高层建筑的出现应用满足了此方面的困难，在结构设计中，高层建筑相比于低层建筑承受更大的风荷载作用，而风荷载的不确定性因素导致结构设计的繁琐，同时基于低层建筑的荷载分析难以应用于高层建筑，因此研究高层建筑结构在风荷载作用下的响应是十分必要的。基于当前结构风工程的理论，对高层建筑结构下风荷载的研究方法进行了进一步探讨。

高层建筑，风荷载，响应

0 引言

新材料、新技术的发展和应用必然带动时代的发展，高层建筑大量涌现。建筑物的高度不断攀升，创造一个又一个的奇迹，从最初的芝加哥保险大楼(55 m)，到2016年的上海环球金融中心(632 m)，不断刷新着最高建筑的记录。风荷载的作用对于高层建筑结构分析更加的复杂，甚至风荷载在高层结构设计中起到主要作用。抗风能力设计的缺陷使得高层建筑的结构稳定性变差，容易被破坏。

高层建筑在满足人类居住需求的同时，有一定承受风荷载的能力，防止因风荷载导致结构大幅度的震动，影响结构的稳定性能。

1 国内外高层建筑结构在风荷载作用响应研究

加拿大教授[1,2]在19世纪60年代便开始研究结构的抖震理论，提出风荷载的方向震动响应荷载因子法(主要是针对顺风向)，同时提出等效静力风荷载理论，给紊流风荷载理论奠定了基础，同时后来的国外学者[3]根据加拿大教授的理论继续研究，用数值分析的方法进行了模拟研究，给出具体的计算公式计算风荷载，不仅仅局限于顺风向的荷载研究，而且从不同的角度进行理论分析研究，得出更加精准和适用性宽广的等效静力风荷载理论。

国内的研究相比于国外将近推迟了一个世纪，而且第一次的提出是在1980年中国空气动力研究会工业空气动力学专业委员会第一次会议，之后北京大学建成了直流式边界层风洞模拟，开启了实验室模拟。之后一些学术论文相继面世，最有名的是张相庭的抗风计算手册以及黄本才的结构抗风分析原理及应用。近年来，更多的学者开始关注这类型的研究，出现了更多的论文，以及更加精准的理论数据，顺风向和横风向加速度计算等相关内容。同时国内高校同济、浙大等皆成立了相关的学术研究小组，对结构风进行研究，给出对应于不同的风向的计算公式以及计算方法，提出了更加简便的理论公式，而且适用范围更加的广阔。

2 结构风工程研究方法

结构风工程在学者们不断的努力下，形成了一套完整的理论，具体根据研究的方式不同，有以下三种情况：

1)模拟方法。

模拟方法是将实地的数据通过实验室或者是输入计算机，得出风荷载对于高层建筑的影响，在实际的研究中存在两种方法，一种是数值模拟，一种是风洞模拟。

a.数值模拟：数值模拟的出现是跟着计算的发展应运而生的，主要是将数据输入计算机，通过计算机的分析，得出想要的结果。这种手段的计算基础是计算流体力学，涉及到不同学科的内容，包括有限元求解，数值分析以及计算机编程等内容，计算方法一旦形成，应用简单，不需要较多的人力。但同时也存在一定的缺陷，参数的精准影响最后数据的可靠性，因此方法不能单一决定，需要依靠其他方法共同来确定。

b.风洞模拟：这种模拟方法比较古老，是学者最初的模拟方法，主要是在实验室模拟实际的情况，将现场缩小到实验室可以承受的范围内，创造跟实际情况近乎一致的情况，当发生同样的风荷载时，高层建筑可承受的能力，确定实际建筑的结构风效应[4]。动力响应数据的得出在实验室有三种不同的方法，分别是利用多点瞬时脉动测压系统，测试脉动压力；一种是利用高频底座天平技术，最后一种是采用气动弹性模拟实验直接获取数据。

2)理论计算。

理论进展一直是学术研究的重点，理论带动实际，理论研究方法主要有时域法和频域法两种。时域法是直接动力法，通过直接输入风压时程得出结构的一系列参数，进而得出想要的风荷载数据。频域法根据随机振动理论，建立直接关系(主要是输出结构响应和风荷载频谱特性之间的关系)，通过傅里叶变化转化为风压谱，一般过程为输入，输出，求解三步骤，输入的数据主要是脉动风力谱密度，输出响应谱密度，最后求解响应根方差。

3)实地考察。

实地考察主要是实验人员将相关的设备仪器带入现场，通过风速仪测定工地的风速，加速度计测量风荷载的加速度，风压测试系统测试风压，最后将数据进行收集归纳，获取风荷载振动响应数据。这种方法最具有效性，但是工作量较大，而且数据根据天气[5]的不同会有出入，要想获得准确的数据需要较长的时间，加拿大教授曾经的实测记录高达70多次，最后得出了风振响应的测试记录，弥补他理论的不足，同时校验其在实验室得出的理论是否可以满足实际的需求。

3 高层结构风荷载研究方法

近地面空气流动形成的风荷载作用产生的震动响应，这种活动规律性不是很强，需要具体分析。高层建筑接受到风荷载的震动响应[6]按照风向的不同可以分为顺风向、逆风向以及扭转风向三种。

其中第一种顺风向是研究的主要问题，在结构设计分析中起到主导作用，同时顺风向的风还可以进行具体划分，分为平均风和脉动风，皆属于近地风，平均风的周期10 min以上，超过了结构的自振周期[7]，对于建筑结构产生静力荷载，随着高层建筑的高度方向进行变化，会引起结构的位移响应和静内力。而脉动风相比于平均风，属于动力性风，其周期跟结构的自振周期相近，重要的参数是加速度、位移以及振动内力。横向风的机理比顺风向更加复杂，目前常应用研究横向风的理论[8]有抖振、颤振、弛振以及涡激振动，这种风向主要来源于气动反馈、尾流激励和来流湍流。而扭转风向产生的风荷载由于不对称导致此类的研究目前较少。

4 结语

风荷载的复杂性在高层建筑中尤为突出，在结构设计中增加了结构设计师的工作量，同时也增加了挑战性，所以在实际设计中要结合相关的实际经验，以及各种理论依据同时应用，才能保证高层建筑结构的安全性、稳定性以及使用舒适性。

[1] Nicholas Isyumov. Alan G. Davenport’s mark on wind engineering Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2012(104-106):12-24.

[2] Davenport A.G.Gust loading factors. J. Struct. Div. ASCE.1967(93):11-34.

[3] Simiu E. Wind spectra and dynamic along wind response,J. Struct, Dir, ASCE,l00,No.ST9,Proc.Paper I 08l 5，1974：1897-1910.

[4] 钟振宇.超高层建筑风重耦合效应及等效静力风荷载研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[5] 黄本才.结构抗风原理分析及应用[M].上海：同济大学出版社,2008.

[6] 彭 刚.时域分析法风载时程模拟[D].广州：广东工业大学,2010.

[7] 孔 鹏.高层建筑等效静风荷载及结构风致响应研究[D].广州：华南理工大学,2012.

[8] 夏 宇.高层结构顺风向风振计算与分析[D].南充：西南石油大学,2005.

Researchonresponseoftallbuildingstructureunderwindload

FanJia

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

With the rapid development of social economy, city low buildings cannot meet the human living needs, the emergence of the high-rise building to meet the application difficulties in structural design of high-rise building. Compared to the low rise buildings, wind load is larger. The uncertain factors lead to structural design at the same time complicated and load analysis of low rise buildings is difficult to be applied to high-rise buildings. So the research of high-rise building structure in response to wind load is very necessary. Based on the current wind engineering theory, the research methods of wind load on high-rise buildings are further discussed.

high-rise buildings, wind load, response

1009-6825(2017)32-0033-02

2017-09-07

范 佳(1985- )，男，工程师

TU311

A