高层建筑结构设计中风荷载的探讨

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1、高层建筑结构设计中风荷载的探讨：现在的建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展,使得高层建筑结构的自振周期与自然界风速的长越周期较接近,故风对高层建筑的影响越来越大。本文对高层建筑结构设计中的风荷载进行了探讨。　　关键词：高层建筑；结构设计；风荷载　　Abstract:thestructureofthehigh-risebuildingnoentmakesthestructureofthehigh-risebuildingsnaturalvibrationperiodandnatureoftheoreandmoreinfluence.Inthisp

2、aper,thestructuredesignofhigh-risebuildingin以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风。由于受地表阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角(一般在±10°范围内)。表征风特性的参数有：1)平均风速剖面；2)紊流风速剖面；3)脉动风速谱；4)湍流积分强度等。边界层中运动的空气可视为低速、不可压缩流体。可根据Bernouli方程由风速确定风压。风压是建筑结构设计中基本的设计依据之一,其取值大小对高层建筑物的经济、适用与安全有密切的关系。基本风压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的压力，根据全国各台站重现期50

3、年的最大风速作为当地的基本风速V0，再按贝努利方程确定基本风压in平均最大风速作为统计样本，计算风压时必须考虑台站的空气密度的影响。空气密度公式如下：　　　　其中，e为水汽压,hPa；t为温度，℃；P为大气压，hPa。风压作用将产生的结果：1)使结构或构件产生过大的内力和不稳定；2)使结构物产生过大的挠度或变形，引起外墙和装饰材料的破坏；3)由反复的风振动作用，引起结构或构件疲劳损坏；4)由于风振作用即动态运动，使建筑物的居位者产生不舒适感。　　2、风荷载　　（1）风荷载的种类及特点　　风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括

4、三个部分：1）平均风压产生的平均力；2）脉动风压产生的随机脉动力；3）由于风致建筑物振动产生的惯性力。对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：1）风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；2）风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；3）对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；4）结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；5）脉动风的强度、频率、风向是随机

5、的；6）风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。　　三、高层建筑体型设计方法　　建筑体型设计可从平面形状和竖向型体两方面考虑，同时考虑平面与竖向的组合关系，通过合理的建筑体型可以有效的减轻风荷载对建筑的影响[3]：　　1、平面设计　　（1）流线形平面：圆形、椭圆形等流线形平面，其顺风力和扭力矩都比较小，可比矩形平面减少20%-40%的风荷载，宜为高层建筑抗风设计的优选平面。　　（2）正多边平面：正多边形平面体型系数小、多向对称，顺风力、横风力差别不大，扭力矩影响很小。对于平面转角尤其是具有锐角的

6、三角形等，可采用切角处理以减小角落效应和应力集中现象。可为高层建筑抗风设计的常用平面。　　（3）复杂平面：由于高层建筑功能的复杂性及相关诸多影响因素，往往不能仅仅使用简单的流线形或正多边平面。L、T、H、Y、十及槽形等平面形状亦为常用，此时，平面设计的关键是要结合风向控制平面突出长度并选择有利于减小体型系数的朝向。　　2、型体设计　　（1）选择锥状型体：上小下大的锥体和台体有利于避免最大风荷载并减小建筑受风面积（见图3），可以有效减小倾覆力矩。同时，高层建筑外柱倾斜可以增大抗推刚度，产生反向水平分力，可使侧移减少10%-50%。　　　　图3不

7、同体型结构荷载　　（2）控制体型比例：建筑的三维比例对背风涡流区及风压分布有着较大影响（见图4），分析可得高层建筑长度L、宽度B、高度H之间有利于结构抗风的比例宜为：H/B适宜3~4不大于6，L/B适宜2~3，不大于4。　　　　　　图4建筑体型与背风涡流区的关系　　3、刚度设计　　（1）提高抗侧刚度：高层结构除了要保证足够的抗侧刚度外，其刚度宜为下大上小、渐变分布，这可以通过建筑体型和内部抗侧结构的刚度分布来实现。对于锥体和台体，其体型所提供的刚度分布自身可以满足。对于柱体建筑，由于体型上下均匀，可通过改变内部抗侧构件的截面大小来满足结构刚度

8、的渐变分布。　　（2）并联高层楼群：每一个独立的高层建筑如同独立的悬臂结构，当建筑高度较大时要满足结构抗侧移刚度则有难度。可将单体高层建筑顶部利用立体桁架或连接体建