高层建筑结构的抗风性能

第３３卷第３２期　２　０　０　７年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．２００７　・７３・　文章编号：１００９—６８２５（２００７）３２—００７３—０２　基于ＡＮＳＹＳ的高层建筑结构抗风抗震分析　管　鹏　摘要：运用ＡＮＳＹＳ程序对某高层框架结构进行了建模、模态分析、风荷载分析及地震分析，解决了时程分析中阻尼计　算和自重施加问题，对工程技术人员具有一定的参考价值。　关键词：ＡＮＳＹＳ，有限元，高层建筑结构，模态分析，时程分析　中图分类号：ＴＵ３１２　文献标识码：Ａ　ＡＮＳＹＳ软件已成为土木建筑行业ＣＡＥ仿真分析软件的主　流。ＡＮＳＹＳ对于高层建筑等体形复杂建筑的静力、动力、线性和　非线性等力学问题的分析具有强大的优势，可以很好地反映这些　建筑物及其基础在各种复杂因素作用下的力学行为，为确保结构　的安全、正常使用提供了可靠的科学依据。　１有限元模型　１．１参数定义　某高层框架结构，总高度５４　ｒｎ，１８层，层高３　ｒｎ，结构平面如　图１所示。为了计算方便，钢筋混凝土的密度统一为２　７００　ｋｇ／ｍ３，　弹性模量按混凝土的弹性模量取值，泊松比取为０．２，其他参数见　表１　欠粱　内　眶架Ｊ　鬃　框架柱　Ｉ爵　图１　结构平面示意图（单位：ｔｏｎｉ）　表１模型参数表　构件　截面尺寸／ｍ　混凝土等级　弹性模量／Ｐａ　框架柱　１．１×１　１　Ｃ４０　３　２５ｅｌ０　外环梁　０，４×０　６　Ｃ４０　３，２５ｅ１０　内框架梁　０．５×０　８　Ｃ４０　３．２５ｅ１０　次梁　０　３×０，５　Ｃ４０　３　２５ｅ１０　楼层板　０　２　Ｃ３０　３　０ｅｌ０　外墙　０，２　Ｃ３０　３，０ｅｌ０　１．２模型及单元的选取　建模过程中，采用了两种单元类型：Ｂｅａｍ　１８８和Ｓｈｅｌｌ　６３。　Ｂｅａｍ　１８８梁单元最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切　变形和翘曲，同时也支持大转动和大应变等非线性行为，而且可　以直接显示梁截面上的应力和变形。适合于分析从细长到中等　粗短的梁结构，用其模拟框架结构中的梁和框架柱。Ｓｈｅｌｌ　６３单　元可以同时承受壳面内、外的荷载，同时具有壳单元算法和膜单　元算法，该单元还考虑了应力刚化效应以及大变形效应，用其模　拟外墙和楼层板。　为了分析方便，可创建一个宏文件，这样可以随时调用宏文　件，生成有限元模型。　２模态分析　模态分析用于确定结构的振动特性，如固有频率和各阶振　型。固有频率和各阶振型是结构承受动力荷载设计中的重要参　数，也是其他各类型动力学分析的基础。故在进行风荷载与地震　分析之前，首先要进行模态分析，获取结构的动力学基本特性。　典型的无阻尼结构自由振动的特征方程：　（『Ｋ］一　［Ｍ］）｛　｝＝｛０｝｛５１。　模态分析就是计算该特征方程的特征值及其对应的特征向量。　２．１　建模注意问题　１）模态分析属于线性分析，在模态分析中只有线性行为是有　效的，任何非线性行为都将被忽略并作为线性处理。　２）模态分析中必须指定材料的弹性模量和密度。　２．２模态提取方法的选择　本例采用Ｓｕｂｓｐａｃｅ法提取前５阶模态，质量矩阵采用一致质　量矩阵。模态分析采用扩展模态法，本例只扩展５阶。表２列出　了结构的前５阶频率。　表２前５阶振动频率列表　振动阶数　ｌ　１　ｌ　２　ｌ　３　｝４　Ｉ　５　３风荷载分析　３．１　风荷载标准值的计算　作用在建筑物表面单位面积上的风荷载标准值　按《建筑　结构荷载规范》规定计算：　ｃｏｋ＝　０…。　本结构取风振系数　＝１；基本风压　０＝７００　Ｎ／ｍ２，本建筑　重现期为５０年，基本风压应取规定数值的１．１倍；风荷载体形系　数　参照《建筑结构荷载规范》中的Ｌ型平面选取；风压高度变　化系数／１　按Ｄ类地貌取值，即：／１　＝３．１２（￣，／４５ｏ）。　。　所以作用在建筑物表面单位面积上的风荷载共有４种：　ｒ０．８×０．３２ｆ￣，／４５ｏ）。　×７７０　ｌ一０．５×０．３２（　／４５０）０　６×７７０　］一０．６×０．３２（　／４５０）０　６×７７０　ｌ一０．７　０．３２（　／４５０）０．６×７７０　风荷载公式采用ＧＵＩ模式输入较方便。　３．２瞬态动力学分析　瞬态动力学分析又称时间历程分析，用于计算结构在随时间　任意变化的荷载作用下的动力学响应，目的是得到结构在稳态载　荷、瞬态载荷和简谐载荷随意组合作用下随时间变化的位移、应　变、应力和力。　收稿日期：２００７—０６—１２　作者简介：管鹏（１９８２一），男，西安建筑科技大学土木工程学院硕士研究生，陕西西安７１００５５

高层建筑结构抗风设计

在现代城市的天际线上，高层建筑如雨后春笋般拔地而起，成为城市繁荣与发展的象征。然而，这些高耸入云的建筑在面对大自然的力量时，尤其是强风的袭击，需要具备坚固的结构以确保安全和稳定。高层建筑结构抗风设计便是保障这些建筑能够屹立不倒的关键所在。

风对于高层建筑的影响是多方面且复杂的。首先，风会对建筑表面产生直接的压力和吸力。当风速较快时，这种压力和吸力可能会非常巨大，导致建筑结构的变形甚至破坏。其次，风在绕过建筑时会产生漩涡和分离流，从而引起结构的振动。如果这种振动与建筑的固有频率接近，就可能发生共振现象，对建筑造成严重的损害。此外，高层建筑之间的风相互干扰，也会增加风荷载的不确定性和复杂性。

为了有效地进行高层建筑结构抗风设计，第一步是要准确地评估风荷载。这需要通过风洞试验和数值模拟等手段来实现。风洞试验是将建筑模型放置在风洞中，模拟实际的风环境，测量风对模型的作用力和响应。数值模拟则是利用计算机软件对风场和建筑的相互作用进行计算和分析。通过这些方法，可以获得风在建筑表面的分布规律以及建筑所受到的风力大小和方向。

在了解风荷载的基础上，设计师需要选择合适的结构体系来抵抗风的作用。常见的高层建筑结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框架

剪力墙结构和筒体结构等。框架结构具有较好的灵活性，但抗侧刚度相对较弱；剪力墙结构则具有较大的抗侧刚度，但空间布局不够灵活；框架 剪力墙结构结合了两者的优点，能够在满足建筑功能需求的同时提供较好的抗风性能；筒体结构如框筒、筒中筒等，由于其封闭的空间形式，能够有效地抵抗风荷载。

结构构件的设计也是抗风设计的重要环节。柱子、梁和剪力墙等构件需要具备足够的强度和刚度，以承受风荷载引起的内力。在设计过程中，要考虑材料的力学性能、构件的尺寸和形状等因素。例如，增加柱子和梁的截面尺寸可以提高其承载能力，但同时也会增加建筑的自重和成本。因此，需要在安全和经济之间找到一个平衡点。

城市建筑ｌ结构・抗震ｌ　ＵＲＢＡＮＩＳＭ　ＡＮＤ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　ｌ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ・ＡＳＥＩＳＭＡＴＩＣ　

关于高层建筑结构抗风设计的优化分析　

■李倩　

【摘　要】高层建筑物的抗风设计效果对建筑物有很大影　

响。为了能够对建筑物的抗风设计方法进行优化，本文展　

开了研究。从高层建筑的抗风设计出发，进一步分析了高　层建筑结构抗风设计存在的问题，最后针对高层建筑的抗　

风设计中存在的问题提出了相关的优化措施，希望能对高　

层建筑物的抗风设计起到实质性的作用。　

【关键词】高层建筑抗风设计优化　

一、　高层建筑的抗风设计　

１．风荷载作用下的破坏形式　高层建筑在经受大风的破坏之后，往往会出现　

一些主体结构开裂或损坏的情况，甚至会出现一些　位置的的移动现象，可能会引起框架、剪力墙和承　

重墙发生内部损伤。在出现一些承重墙的开裂情况　

下很容易对其他墙体的结构产生影响，甚至会对建　

筑内部的玻璃和装饰物等设施产生破坏。另外高层　

建筑在受到大风的破坏后，很容易使建筑物发生摆　

动，进而影响整体的建筑结构，导致整体建筑的使　

用价值降低。　

２，高层建筑结构的抗风设计原则　

在建筑的设计过程中，要保证结构具有足够的　

强度，能够承受风荷载作用下的内力，保证建筑物　

的正常使用。在建造过程中，要选择合理的结构体　

系和建筑的结构外形；在建筑材料的选择上面，要　尽量选用刚度较大的材料以减少风力荷载作用的影　

响。同时在建筑方面，圆形和正多边形有利于减少　

风压的数值，尽量采取有一定规范化的形状和建筑　

结构，这样可以减少风力的扭转影响。同时，在外　

墙部分，要能够保证有较大刚度的维护措施以保证　

墙体结构的可靠的连接，避免出现墙体的破坏。　

３．风荷载的计算　

在我国现有的对风荷载的计算规范中，对荷载　的统计采用５Ｏ年设计基准期，在描述荷载的过程　

中，同时采用平稳二项随机来进行实施。当风力气　

流遇到建筑物的时候，会在建筑物的表面上产生压　

力或吸力，这种压力就是风荷载。风荷载的大小与　

高层建筑结构的抗风设计

在当今城市的天际线中，高层建筑如林立的巨人般矗立。它们不仅是城市繁荣的象征，更是建筑工程领域的杰作。然而，这些高耸入云的建筑在面临自然力量时，尤其是风的考验时，需要精心的设计来确保其安全性和稳定性。风，这个看似无形却力量强大的自然元素，对高层建筑结构的影响不容小觑。因此，高层建筑结构的抗风设计成为了建筑设计中至关重要的一环。

风对高层建筑的作用是复杂而多样的。首先，风会在建筑物表面产生压力和吸力。当风正面吹向建筑物时，会产生正压力；而当风绕过建筑物时，会在建筑物的背面和侧面产生负压力，也就是吸力。这种压力和吸力的分布不均匀，会导致建筑物在水平方向上产生变形和振动。如果这种变形和振动过大，就会影响建筑物的结构安全和使用功能。其次，风还会引起建筑物的涡激振动。当风流经建筑物时，可能会在建筑物的后方形成漩涡。这些漩涡的脱落频率如果与建筑物的自振频率接近，就会引发共振，导致建筑物产生较大的振动。此外，强风还可能带来风荷载的突然变化，如阵风，这对建筑物的结构也是一种严峻的考验。

为了应对风的影响，高层建筑结构的抗风设计需要从多个方面入手。首先是建筑的外形设计。一个合理的外形可以有效地减小风的阻力和压力。例如，流线型的外形能够使风更加顺畅地流过建筑物，减少风的漩涡和分离，从而降低风荷载。常见的流线型外形包括圆形、椭圆形和倒角的方形等。此外，建筑的高宽比也会影响其抗风性能。一般来说，高宽比较小的建筑在抗风方面更具优势，因为它们在水平方向上的稳定性更好。

结构体系的选择也是抗风设计的关键。常见的高层建筑结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构等。框架结构具有较好的灵活性，但抗侧刚度相对较小；剪力墙结构则具有较大的抗侧刚度，但空间布局相对受限。框架剪力墙结构结合了两者的优点，能够在提供较大抗侧刚度的同时，保持一定的空间灵活性。筒体结构，如框筒结构和筒中筒结构，具有非常好的抗风性能，特别适用于超高层建筑。在设计时，需要根据建筑的高度、功能和使用要求等因素，选择合适的结构体系。