高层建筑中的风荷载分析与设计

(完整版)高层建筑在风荷载作用下的相关研究

高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响将产生振动，这种振动有可能使在高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒适的感觉,从而影响建筑物的正常使用”由于风是一种经常性的荷载作用,因此有必要将风引起的高层建筑的振动限制在人体舒适的感觉范围之内”重现期的选择也最大风速样本的取法影响着平均风速的数值”如果以口最大风速为样本,则一年有365个样本，平时低风速的口子的风速值占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占1/365的权,因而最大风速重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低"如果采用月最大风速,则每年最大风速在整个数列中也只占1/12的权,也降低了最大风速所起的重要性，所得结果也是偏低的"对十工程结构应该能承受一年中任何口子的极大风速,因此取年最大风速为样本”最大风速有它的自然周期，每年季节性地重复一次,因而采用年最大风速作为一个样本,较为合适”世界各国基本上是取年最大风速作为统计样本的”

平均风的时距

平均风速的数值与时距的取值有很大的关系”如果时距取得很短,例如3秒钟,

则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中,较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高”如果取得很长,例如1天，则必定将1天中大量的小风平均进去,较高风速在该长时距中起不到显著作用,其值一般偏低”一般来说,时距愈短,平均风速愈大，时距愈长，平均风速也就愈小"风速记录表明,阵风的卓越周期约为1min，通常认为10min(约10个周期)至1小时（约60个周期,由于阵风有较长的持续性,衰减较慢)其平均值基本上是一个稳定值,因而我国规范规定以10分钟作为取值标准”一般我们所研究的对象不会出现异常风的气候,称为良态气候"对十这种气候,我们可以认为年最大风速的每一个数据都对极值的概率特性起作用,因此，世界上许多国家把年最大风速作为概率统计的样本,由重现期和风速的概率分布获得该地区的设计最大风速，或者称为基本风速"我国规定基本风速采用极值I型概率分布函数进行统计分析"对于多层建筑和高层建筑的风致响应问题，连续体系，采用随机振动理论进行分析。

第 1 页 共 5 页 高层建筑结构设计中的风荷载

随着现在建筑美学的发展和使用功能的要求，现代建筑结构朝着高层和大跨度的方向发展。因此在结构设计中风荷载越来越重要，有时至起决定性的作用。该文主要阐述作用在结构上的风压、风力和风振系数、高层建筑结构风振系数和风振响应的精确方法，并介绍了高层建筑的风振控制的多种方法。

目前世界上正在经历着史无前例的高层、超高层建筑建设高峰。芝加哥西尔斯大厦（Sears tower）曾以443m的高度稳坐世界最高建筑物宝座26年。而现在世界上，拟建、在建和已建的400m以上的结构有37栋，尤以正在建造且已超过700m的迪拜大厦（Burj Dubai）为首。发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念。随着结构高度的增加和高强材料的使用，低阻尼、高柔结构的风振响应更加显著，使得强风作用下的结构风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载。

从Davenport最早将随机概念和方法引入建筑结构的抗风研究30多年以来，在建筑结构的顺风向荷载及响应的研究方面，已逐渐形成比较完善的计算理论和方法，主要成果也反映在多数国家的建筑结构荷载规范中。

风的特征及风压

风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度 第 2 页 共 5 页 上升的不均匀性，从而在地球相同高度的两点之间产生压力差，这样使不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动，便形成了风。

大量的统计资料表明，近地风的平均风速随着高度的升高而增大，同时对应于不同的地面粗糙度具有不同的变化规律。通常可采用风速剖面来描述平均风。平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种方法。目前，气象学家认为用对数律表示大气底层强风风速廓线比较理想，其表达式为

式中——大气底层内 高度处的平均风速；

——摩擦速度或流动剪切速度；

K——卡曼（Karman）常数，k 0.40；

风荷载对高层建筑物的影响

摘要：随着经济的发展,近年来高层建筑尤其是体型复杂的超高层建筑得到了蓬勃的发展。一般而言，高层建筑物占地面积少，建筑面积大，造型独特，相对集中。这一特点使得高层建筑物在人口稠密的大城市迅速发展。但是高层建筑物上风荷载也越来越大，导致水平荷载不断增大。因此，高层建筑物需要较大的承载力和刚度来解决水平荷载的问题。

关键词：风载荷 高层建筑物 影响

风是紊乱的随机现象风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法；摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害。风对建筑物表面的作用力大小，与建筑物体型、高度、建筑物所处位置、结构特性有关。

一、风荷载的形成

风荷载是空气流动形成的，对建筑物的作用是不规则的，风荷载实际上是一种随机时变活荷载，但不同于一般活荷载（楼面和屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载）。为了结构设计方便，迄今为止，世界各国的高层建筑结构设计，都是将风荷载转换为确定性的静力等效风。

风对建筑物的影响不仅仅是风声，主要是风荷载对水平位移的影响。具体到多少米会有影响，要看当地气候特点、风力状况、场地特征、建筑物体型等等因素。

总风荷载与局部风荷载总风荷载是指建筑物的各个表面所受风荷载的合力，是沿建筑物变化的线荷载，通常按建筑物的主轴方向计算。局部风荷载是指在建筑物表面某些风压较大的部位，考虑风压对局部某些构建的不利作用时考虑的风荷载，考虑部位一般是建筑物的角隅或阳台雨篷等悬挑构件。

风荷载与楼层高度有关，越高风压越大，但不是简单的正比关系。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范取值确定。对于山区的建筑物，风压高度变化系数还应考虑地形条件的修正。

二、风荷载对高层建筑物的影响

高层建筑抗风设计与风荷载分析

在现代城市的天际线中，高层建筑如林立的巨人般展现着人类的智慧和创造力。然而，这些高耸入云的建筑并非仅仅是美学与功能的结合体，它们还面临着来自大自然的严峻挑战——风。风，这个看似无形却威力巨大的力量，对高层建筑的稳定性和安全性构成了潜在威胁。因此，高层建筑的抗风设计与风荷载分析成为了建筑工程领域中至关重要的环节。

风荷载，简单来说，就是风对建筑物施加的力。当风吹过建筑物时，会在建筑物表面产生压力和吸力，这些力的大小和分布取决于风速、风向、建筑物的形状、高度以及周围环境等多种因素。对于高层建筑来说，由于其高度较高，风在不同高度处的速度和方向可能会有很大的变化，这就使得风荷载的计算和分析变得更加复杂。

在进行高层建筑的抗风设计之前，首先需要对当地的风环境进行详细的调查和研究。这包括收集历史气象数据，了解当地的主导风向、风速分布以及风的季节性变化等信息。同时，还需要考虑建筑物所在的地理位置、周边建筑物的分布情况以及地形地貌等因素对风场的影响。通过这些调查和研究，可以为后续的风荷载分析提供基础数据。

在风荷载的分析方法方面，目前主要有理论分析、风洞试验和数值模拟三种。理论分析方法通常基于流体力学的基本原理，通过建立数学模型来计算风荷载。这种方法虽然简单直观，但由于实际风场的复杂性，其计算结果往往存在一定的误差。风洞试验则是将建筑物的模型放置在风洞中，通过模拟实际的风场来测量建筑物表面的风压力和吸力。风洞试验的结果比较准确可靠，但成本较高，而且对于一些复杂的建筑形状和结构，模型制作的难度也较大。数值模拟方法则是利用计算机软件对风场和建筑物的相互作用进行数值计算。这种方法具有成本低、效率高的优点，但需要对计算模型和参数进行合理的选择和验证。

在高层建筑的抗风设计中，结构体系的选择至关重要。常见的结构体系如框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等，它们在抗风性能方面各有优缺点。框架结构具有较好的灵活性和空间利用率，但抗侧刚度相对较小；剪力墙结构抗侧刚度大，但空间布置不够灵活；框架剪力墙结构则结合了两者的优点，在抗风性能和使用功能上都能取得较好的平衡。此外，还可以采用一些特殊的结构形式，如筒体结构、悬挂结构、巨型结构等，以提高高层建筑的抗风能力。