风荷载作用下高层建筑结构设计分析

高艳霞

摘要：通过对风荷载和高层建筑的基本特性进行分析，得到基于风荷载作用下设计高层建筑的体型，最后理论研究得出高层建筑结构在风荷载作用响应，可为在风荷载作用下高层建筑的结构设计提供参考。

关键词：风荷载作用;高层建筑;结构设计

1 高层住宅建筑结构设计特点

在高层住宅建筑中，主要采用框架结构、剪力墙结构和框剪结构。其中，框架结构由杆件刚性连接构成，能够灵活进行空间布置。但梁柱截面较小，使得结构刚度小，侧移大，抵抗力较差，不适用于地震区。剪力墙结构则是首选结构形式，能够利用钢筋混凝土墙体对水平力、竖向力进行承载，利用剪力墙对墙体和楼板进行较好连接^[1]。该种结构刚度较大，具有较强抗震能力。框剪结构是利用大剪力墙对部分框架结构进行替代，利用楼板和连梁构成结构体系，使结构整体刚度得到提升，受水平荷载作用可以产生较高承载力。实际在高层住宅建筑结构设计中，需要考虑结构延性，确保结构进入塑性阶段依然维持较强变形能力，以免建筑发生坍塌问题。结构侧移需要控制在一定限度范围内，避免水平荷载作用下结构发生过大侧移变形。由于竖向荷载基本为确定数值，风荷载、地震作用等将有所变化，水平荷载变化幅度较大，设计时应确保引发的轴力、弯矩能够与楼房高度成正比，以免结构受到过大影响^[2]。而在竖向荷载过大时，结构柱将发生较大轴向变形，导致连续梁中间支座位置负弯矩变小，跨中正弯矩与端支座弯矩加大，影响结构安全性。此外，高层住宅建筑需要加强结构抗震设计，保证建筑做到小震不坏、大震不倒。

2 高层建筑结构体系设计的基本要求

2.1 结构体系需要具有更加合理的地震作用途径

在进行对楼屋的竖向结构和盖梁进行设计时，需要令其具有的荷载垂直重力持续在最短路径传递，保证力量传递至墙与竖向柱结构的过程中，需要尽可能的防止竖向构件之间发生的垂直重力承担的荷载重量超过一到二次的转换再次传递到建筑的下部结构体系内部的竖向构件中。在此过程中，需要由支撑部分、筒体部分、剪力墙部分、框架部分等有机构件组成的更有效的抗侧力结构方面需要保证体系明确，保证传力更加直接，尽可能的保证贯通能够连续，一旦发生顺延竖向结构的变化，就需要保证变化状态均匀且缓慢。

2.2 结构体系需要具备一定的承载能力

和对应的变形能力因为有钢筋混凝土构成的塑性内力具有更好的重分布能力，需要在一定程度内积极消耗并主动吸收地震产生的能量。针对框架中产生的地震抗破坏机制则需进一步保证其节点不会被主动破坏，将各个处于同一水平中的柱体两端历程需做出有效延长，达到其最长值，其中，建筑的梁比柱的表现出的屈服现象还要进行多发生和早发生的过程，保证底层柱底能够满足标准，塑性方面则需要晚一些形成。在建筑的剪力墙体内，需要保证各个墙段之间的变形能力足够强，用于保证剪力墙能够发挥出更加优秀的抗震作用^[1]。

3 高层建筑结构在风荷载作用响应研究

3.1 结构风工程研究方法

根据高层建筑结构抗风设计理论可以看出，结构风工程的研究方式主要是根据实际情况采取对应的研究方式，一般情况下分为三种情况：模拟方法在高层建筑结构受力响应研究中是一种比较常用的研究方法，通过计算机和实验室进行模拟，最终得到风荷载对高层建筑结构受力的影响，包括风洞模拟和数值模拟。理论计算在土木工程专业中，是教学的重点，更是学术研究的重点，理论研究包括频域法和时域法，频域法主要以随机振动理论为主，通过建立直接关系进行计算;时域法是直接动力法，直接投入计算公式计算。实地考察主要是应用相应的设备仪器进行实地测量，测量内容包括风速、风荷载的加速度、风压，最后将所有数据进行整理，并计算出风荷载振动响应数据。

3.2 风荷载研究方法

在高层结构风荷载研究中，主要研究是近地面空气流动所产生的风荷载，由于近地面风没有规律性，需要根据实际情况具体分析。按照风向可以分为扭转风向、逆风向和顺风向，在顺风向同样需要根据具体情况具体分析，分为平均风和脉动风，平均风对建筑结构产生静力荷载，高度越高对结构响应力就越高。脉动风属于动力性风，主要受到振动内力、位移和加速度的影响。

4 基于风荷载设计高层建筑体型

工程概况某高层住宅项目地上 35 层，1～5 层为商业建筑，6 层为转换层，7 层及以上为住宅，地下一层，建设有停车场、消防通道。建筑采用剪力墙结构体系，剪力墙直接落地。上部设置伸缩缝，净宽 300mm，使地下室顶部与上部结构保持独立，左塔和右塔长分别为 32.6m 和 56m。

4.1 加强高层建筑的平面设计

平面设计可采用椭圆形、圆形等流线形，与矩形平面相比具有更小的扭力矩、顺风力，具有低于矩形平面 20%～40%的风荷载效应，是高层建筑设计中重要的平面形式之一。正多边平面具有较小的平面体型系数，具有多项对称特征，横风力、顺风力之间的差别较小，在目前高层建筑的抗风设计中较为常见，对平面转角设计了锐角三角形的形态，为减少设计过程中应力集中现象及角落效应，宜采用切角处理方式。随着建筑设计风格的多样化，往往不能采用椭圆或正多边形平面，较为常见的平面类型有十字、T、Y、L、H 以及槽形等复杂平面，在设计过程中应结合最大风向角，建筑迎风面宜选择迎风面较小或风荷载效应较小的一面。因此高层建筑及超高层建筑，抗风设计不仅是结构设计问题，更是建筑方案、总图规划等问题。

4.2 加强体型设计

设计可采用上小下大的台体与锥体形式，该体型可减小建筑物的受力面积，避免较大风荷载的影响。设置最佳的结构抗风比例，高度以 H 表示，宽度以 B 表示，建筑长度以 L 表示。L/B 范圍值应控制在 2～3 之间，不宜大于 4，H/B 应设置在 3～4 之间，不宜超过 6。

设计时可采用体型的变化达到调整抗侧刚度分布的效果，如台体与锥体的体型即具有刚度调整作用。体型上下等宽的结构，可改变竖向构件截面厚度的方式来调整侧向刚度。采用并联高层建筑群设计方式。单栋建筑相当于一个悬臂构件，而联立多栋建筑顶部或中间部位，形成空间桁架效应，则具有极大的抗侧刚度。该结构形式需与建筑方沟通，取得认可后方可采用。但该结构体型复杂，须进行风洞试验。

4.3 加强泄风设计

对建筑平面深宽比较大，高度较高，具有弧形或折线形平面，在风荷载作用下，会出现较大的共振作用及横风向效应，使建筑尾部位置可能出现流体旋涡脱落现象，因此需要加强泄风设计。泄风设计应结合建筑周边的实际情况，结合相关设备，利用立面透空特征，可在建筑物适宜高度设置泄风开口，对建筑整体进行泄风。加强底部泄风，可在高层建筑的近地面位置设置挑棚，或在高层底部设置裙房，以减弱下沉涡流对底层的影响。考虑泄风发电，充分发挥建筑群间或建筑泄风开口的局部强风效应，设计风力发电系统，将风能转化为电能，实现绿色资源利用。

4.4 结构受力分析

在建筑结构设计中，需要对结构竖向荷载和水平荷载作用力展开分析，保证结构整体稳定。剪力墙结构受力具有一定复杂性，还要利用三维分析软件完成结构整体性能分析，确认各部分是否存在薄弱环节。采用有限元分析软件，可以对梁、柱等构件配筋展开分析，确认各部分结构能否达到使用要求。建筑采用剪力墙结构为 A 级，结构高宽比限值为 6。从结构设计情况来看，左塔高宽比为 7.88，右塔为 6.8。从整体来看，工程高度比超出 100m，还要利用弹性时程分析法进行分析，研究风载、地震作用等水平荷载作用下结构整体抗倾覆情况，并对结构墙、柱等竖向构件抗压力状况展开分析。通过对各部分结构最大程度破坏展开分析，能够为结构配筋优化提供依据，促使结构整体性能得到改善。根据结构实际尺寸，需要分别建立左塔和右塔结构模型，达到基础顶面，对嵌固层侧向杆固定展开分析。针对地下室部分，需要将 1-2 跨并入主体，对结构进行整体分析。结合结构动力特性，按规范选择 3 条地震波，开展多遇地震下的动力时程分析。建筑特征周期为 0.51s，结构阻尼比为 0.05，地震波主分量峰值加速度为 35cm/s2。采用天然地震波对建筑底层剪力分析，能够确认底部剪力墙加强结构可以达到设计性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下层刚度比能够达到设计要求。而从局部结构受力情况来看，在裙房屋面位置和局部收进位置存在刚度和位移明显变化，分别位于建筑第 7 层和第 29 层。尽管分析得到的指标符合规范要求，但还应对结构进行加强设计，以免结构发生突变问题。

5 结语

综上所述，在高层建筑结构设计中，由于受到规划布置、外观设计和功能特性等要求，最终导致建筑结构呈现出平面不规则现象。平面不规则在受风荷载作用的影响，会使整个高层建筑结构受力发生整体的变化，在各个不规则交接的地区产生变形集中和应力集中的现象。对于平面不规则高层建筑结构受力设计而言，不仅工作量大，同时也增加了设计师的挑战性，所以在设计过程中，必须要充分结合实际情况，同时应用各种理论，这样的设计才能最大化保证平面不规则高层建筑结构的舒适性、稳定性和安全性。

参考文献：

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