关于镂空双层幕墙对高层建筑结构风响应的影响分析

高 博 重庆市设计院有限公司

1 前言

镂空幕墙具有良好的外观，应用范围较为广泛，尤其是高层建筑，可以增加建筑的美观性，使建筑符合现代化设计的要求。风响应是影响幕墙安全性的重要因素，需要做好幕墙风响应分析工作，使幕墙具有较强的抗风特性，降低风力对幕墙的影响，使幕墙的结构更加地稳定。幕墙风响应需要以试验的方式进行分析，使分析过程更加地具有根据性，使幕墙风响应影响得到有效验证。

2 镂空双层幕墙概述

镂空双层幕墙具有保温、美观等特点，在高层建筑中被广泛应用，可以对建筑墙体结构进行完善。幕墙镂空层对气流具有引导作用，可以将风力进行分散，使幕墙结构受力能够被分散，可以防止幕墙受力过于集中，导致幕墙结构风响应较大，影响幕墙结构的稳定性。

通常情况下，横向风对幕墙的影响较大，需要通过试验的方式确定影响范围，使风力对幕墙的影响能够得到控制，保障幕墙能够安全地投入使用。通过镂空双层幕墙，可以有效实现风荷载的降低，使幕墙可以更好地适应风力环境，使其具有更高的抗风能力，防止幕墙承受风荷载多高而出现损耗。为了保证幕墙的安全性，需要对幕墙进行风响应试验，对幕墙的气动力、风载荷等进行分析，以此来对幕墙风响应特性进行判断，使幕墙能够在风力环境下稳定工作，使风响应影响能够得到有效的控制，消除幕墙使用中存在的安全隐患。

3 镂空双层幕墙风振控制分析

3.1 控制方案

为了降低风响应对幕墙的影响，需要对幕墙的风振控制进行分析，使幕墙在高层建筑中更加地稳定，保障幕墙控制方案更加地具有作用。通常情况下，高层镂空双层幕墙需要采用能耗方案进行控制，使其具有良好的受力特征，对幕墙结构的稳定性提供重要保证。例如：可以采用内置式粘弹性阻尼器进行风振控制（如图1），使幕墙具有良好的结构刚度，对风响应形成有效地控制，让幕墙能够对风力进行削弱，进而降低风力对幕墙结构的影响。

阻尼器一般安装在幕墙结构内，对其内表面形成作用，随着风力的增加，阻尼力会随之增大，对幕墙的位移进行有效的限制，保障幕墙结构的稳定性。受到外界环境的影响，阻尼器容易发生老化现象，需要对其采取防老化措施，降低高温、雨水等对阻尼器的影响，保障阻尼器能够稳定工作。因此，制定有效的幕墙控制方案较为重要，可以使幕墙结构表现出良好的稳定性，增强幕墙对风响应的抗性[1]。

图1粘弹式阻尼器

3.2 基本原理

风振控制可以降低风响应对幕墙的影响，使幕墙具有稳定结构特征，能够更好地发挥抗风效果。粘弹性阻尼器是提高幕墙抗风能力的关键性结构，可以对幕墙起到良好的支撑作用，提高幕墙自身结构的稳定性。幕墙风振控制原理如下：在阻尼器的作用下，幕墙将会产生脉动分力，使其形成风振加速度响应，对风力起到一定的阻碍作用，使风响应影响得到控制。在脉动风力与阻尼器的作用下，幕墙的风振控制效果将会增强，能够对风力形成较强的阻碍作用，进而充分发挥风振控制的优势。风振控制效果可由风振系数进行衡量，风振系数=风压/静压，符合风荷载计算的标准。通过风振系数可以有效地对风响应进行分析，使幕墙的强度符合要求，保障幕墙具有较强的荷载特性，使其结构更加地稳定。在风响应作用下，幕墙将会产生一定量的位移，一旦位移量过大或不能及时恢复，将会对幕墙结构的稳定性造成影响，因而对其进行风振控制非常重要。

4 镂空双层幕墙风洞试验

4.1 试验模型

镂空幕墙风响应需要通过风洞试验进行分析，这样可以保障分析结果更加地精确，实现良好的分析效果。风洞试验需要以高层建筑幕墙模型作为依据，为此，需要对幕墙模型进行构建，通过模型来模拟幕墙实际受力状况，使风影响能够得到有效的分析，保障分析结果的有效性。以某建筑幕墙为例，建筑物高为86m，属于办公楼项目，采用镂空双层幕墙结构设计。为了对幕墙进行模拟，需要以工程作为依据，构建比例为1∶300的模型，通过该模型进行风洞试验，以此来对风响应效果进行评估，保障幕墙具有良好的风响应特性。系统内外墙间距为5m，墙体结构较为封闭，外墙处于镂空状态，对幕墙结构具有较大的影响。对幕墙进行测试，镂空率约为41.64%，幕墙受到的风响应影响较大。为了降低幕墙的镂空率，需要对镂空进行封堵，使幕墙具有良好的抗风效果，进而保障幕墙结构的合理性，使幕墙能够更好地应对风力环境。

4.2 流场设置

为了更好地模拟实际风力情况，需要做好模型的流场设置工作，合理地对流场参数进行配置，提高风洞试验的有效性。流场设置流程如下：需要对风洞环境进行构造，提高试验环境与实际风力情况的匹配度，使风洞试验效果更加地真实。本试验将风速控制在8m/s～10m/s之间，对风力条件进行模拟，使风速能够实际情况最大化匹配，使风响应对幕墙影响得到有效分析。在自然因素影响下，风向存在着多变性，需要在不同风向条件下对建筑幕墙模型进行试验，从0°～90°之间选择10个风向角进行测试，对风向变化进行全面的模拟，使风洞试验结果更加地可靠。为了保证分析过程便于描述，需要对风洞试验坐标进行建立，由于风洞试验对象为建筑幕墙，可以将建筑底部中心作为坐标原地，建立x轴、y轴、z轴三个方向的坐标系，这样便可以使风洞试验描述、计算等更加地方便，提高幕墙模型分析的效率[2]。

5 镂空双层幕墙风响应分析

5.1 镂空双层幕墙气动力影响

为了对幕墙气动力影响进行分析，需要对剪力系数进行求解，计算公式如下：

由于风向具有不确定性，需要对不同方向建立系数进行计算，方向角范围在0°～90°之间，为了保障求解的准确性，需要将不同方向角下的剪力系数求解5次，再对平均值进行计算，进而确定剪力系数的值，保障建立系数求解的精度。以CFx求解为例，当风向角为20°时，可得到5次求解结果（如表1），可以将1.27作为CFx的最终结果。当方向角为其他值时，求解同理。每10°进行一次求解，可得到对应的CFx的值如表2所示。以风向角为x轴，CFx为y轴，可以绘制两者的关系曲线（如图2）。对其进行探究，可得到如下结论：第一，当风向角为0°时，CFx最大；当风向角为80°时，CFx最小；当风向角为90°时，CFx为0。第二，当风向角为90°时，风振影响较为剧烈，幕墙受到气动力的影响较大。

表1求解结果（风向角20°）

表2求解结果（风向角其他值）

5.2 镂空双层幕墙气动力频谱

为了对气动力的影响进一步分析，需要建立幕墙气动力图谱，对气动力进行更加确切地分析。首先，建立x轴，通过公式fB/UH进行求解。然后建立y轴，通过公式fS进行求解。最后得出气动力的图谱，对图谱进行分析。其中，fB/UH为约化频率，fS为功率谱。由气动力频谱可以得到如下结论：第一，当约化频率小于0.10时，横向倾覆力矩谱值降低，且下降趋势较大。顺风向图谱随着约化频率的增大，fS值将逐渐减小，下降的速率较快。建筑横向气动力受到气流旋涡的影响，将会导致气动分离的现象发生，需要由外层镂空层进行过滤，使气动力的影响能够控制在较低水平，保障幕墙能够处于稳定的工作状态，使幕墙的气动力频谱具有良好的特性。

图2风向角与CFx（均值）关系曲线

5.3 镂空双层幕墙风响应特性

风力对幕墙的影响可以通过风响应特性进行分析，风响应表达式如下：

风响应特性需要通过上式进行分析，确定幕墙的响应变化规律，使幕墙受到的风力影响研究更加地透彻。幕墙对顺风向响应效果较弱，可以降级顺风向影响对幕墙的损害，使幕墙能够在顺风向响应中保持平稳的状态。幕墙对横风向响应效果较强，对幕墙的危害较为严重，会引起幕墙发生较大的位移变化，需要降低横风向响应对幕墙的影响，使幕墙具有良好的风振特定。为了解决横风向响应问题，需要风响应减振效率进行分析，使风振能够得到有效的控制，降低位移对幕墙的影响，使幕墙能够具有稳定的结构。当约化风速大于10.5m/s，风振折减率在0.5～0.6，使风振效率得到有效的控制。需要减少横风向风振效率，使幕墙能够具有稳定的结构。

5.4 镂空双层幕墙结构荷载分析

结构荷载对幕墙稳定性具有较大的影响，需要对其进行分析，保障幕墙结构的受力稳定性，使幕墙能够更好地投入使用。在风响应作用下，幕墙结构的稳定性将会发生变化，一旦幕墙位移较为严重，将会对幕墙结构造成破坏。顺风向约化荷载的影响不够显著，对幕墙的影响较低。但横风向荷载影响具有显著影响，一旦风响应作用力超出幕墙荷载范围，将会对幕墙结构造成损害，因而需要对横向风荷载进行抑制，使幕墙荷载结构更加地稳定，提高幕墙的风响应特性。当约化频率较低时，顺风向对幕墙荷载影响较大；当约化频率较高时，横风向对幕墙荷载影响较大。在横风向条件下，幕墙剪力折减率为0.49，具有较为明显的影响。

6 结束语

综上所述，幕墙是高层建筑墙体的重要材料，合理地进行应用，降低风响应对幕墙的影响，使幕墙结构更加地稳定。需要严格地进行对幕墙进行试验，对幕墙的风响应特性进行分析，判断幕墙能否对风力环境进行适应，保障幕墙能够正常进行使用，保障幕墙结构具有良好的安全特征。