高层建筑结构的抗风能力

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

高层建筑结构的抗风性能分析

高层建筑在现代城市发展中起着重要的作用，然而，由于其高度对风力的敏感性，抗风能力成为设计中的重要考虑因素。本文将对高层建筑结构的抗风性能进行分析，并探讨提升抗风性能的方法和技术。

1. 高层建筑的抗风设计原则

在进行抗风设计时，需要考虑以下几个原则：

1.1 结构稳定性原则：高层建筑的结构主要受到赋予风荷载的外部作用力，设计时应确保结构的整体稳定性，防止倒塌或倾斜。

1.2 结构刚度原则：高层建筑的结构应具备足够的刚度，以抵抗风力对结构的挤压和摆动。

1.3 减小风力作用原则：采用适当的设计手段，如减小建筑立面面积、采用适当的建筑形态等，减小风力对高层建筑的作用。

1.4 优化结构布局原则：对高层建筑的结构布局进行优化设计，提高结构的抗风性能。

2. 高层建筑抗风设计的分析方法

2.1 风荷载计算方法：通过采用风荷载计算规范，如国家标准《建筑抗风设计规范》等，计算出高层建筑所受到的风荷载大小及其作用点位置。

2.2 结构响应分析方法：采用有限元分析等方法，对高层建筑结构在风荷载下的响应进行分析，包括结构的应力、变形等参数。 2.3 抗风性能评估方法：通过对结构响应进行评估，确定高层建筑的抗风性能，如结构的安全系数、动力特性等。

3. 高层建筑抗风设计的提升方法

为了提升高层建筑的抗风性能，可以从以下几个方面进行设计改进：

3.1 结构形态优化：通过改变建筑形态，如减小建筑截面宽度、增加圆角等，降低风力对建筑的作用。

3.2 优化结构材料：采用高强度材料、耐腐蚀材料等，提高结构的抗风能力。

3.3 强化结构连接：采用可靠的连接技术，如预应力技术、抗风连接件等，提高结构的整体稳定性。

3.4 降低共振效应：采用减振器等技术手段，减小结构共振效应，提高结构的稳定性。

4. 抗风设计在高层建筑实际案例中的应用

抗风设计在高层建筑中得到了广泛的应用，下面以某高层建筑为例进行分析：

高层建筑中的风力与风洞效应研究

随着城市的快速发展，高层建筑的数量也在不断增加。然而，高层建筑的设计与建造面临许多挑战，其中之一就是风力与风洞效应。风力与风洞效应对高层建筑的结构安全与稳定性有着重要影响，因此对风力以及风洞效应的研究显得至关重要。

一、风力对高层建筑的影响

1.1 风的作用原理

风是由空气的流动引起的，当空气流速增加时，对物体产生的压力也会增加。因此，高楼大厦越高，沿建筑物表面受到的风力越强。

1.2 风对高层建筑的负面影响

当风吹过高层建筑时，会在建筑物表面形成气流，造成压力分布的不均匀。这可能导致建筑物产生摇摆现象，给住户和建筑物带来危险。

1.3 高层建筑的抗风能力

高层建筑的设计与结构需要考虑到风的影响，确保建筑物能够承受风力。常见的做法是增加建筑物的重量或采用斜面结构来减小风对建筑物的作用力，提高建筑物的抗风能力。

二、风洞效应及其研究

2.1 什么是风洞效应 风洞效应是指当风吹过建筑物或其他物体时，在物体的背后会形成一个低压区域，而在物体前方则形成一个高压区域。这种气流的效应会对建筑物产生额外的风力影响，并可能导致建筑物的结构受损。

2.2 风洞实验的重要性

为了研究风洞效应对高层建筑的影响，研究者通常使用风洞来模拟真实的风场环境。通过在风洞中进行实验观测，可以获得建筑物在不同风速下的承载情况，并进一步完善和优化建筑物的设计。

2.3 高层建筑风洞实验的方法

在高层建筑设计的早期阶段，通常会使用缩比模型进行风洞实验。这些模型通常是由小比例的建筑模型制成，然后放置在风洞中使用风机模拟风场。通过观测模型的振动以及受力情况，可以评估建筑物在真实风速下的抗风能力。

三、风力与风洞研究的现状与发展趋势

3.1 风洞技术的进步

随着科学技术的不断发展，风洞技术也取得了显著的进步。现代的风洞能够更准确地模拟真实的风场环境，提供更精确的数据支持高层建筑的设计与构造。

3.2 数值模拟在风力与风洞研究中的应用 除了传统的风洞实验，数值模拟方法也被广泛应用于风力与风洞效应的研究中。通过数值模拟，可以更快速地获取风场数据，探究风力对高层建筑的影响，为建筑物的设计提供参考。

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。