陳敏文

（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350004）

高層建筑風(fēng)載荷及抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

陳敏文

（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350004）

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快以及新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的應(yīng)用，城市建筑越來越高，這導(dǎo)致的直接結(jié)果是建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率越來越低，自身阻尼也逐漸變小，在受到強(qiáng)風(fēng)作用時會發(fā)生破壞，危害到生命財(cái)產(chǎn)安全。因此風(fēng)載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響越來越大，成為超高建筑結(jié)構(gòu)的主要控制研究載荷之一。所以，對高層建筑進(jìn)行風(fēng)載荷研究進(jìn)而對其進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)很有必要。

高層建筑物；風(fēng)載荷；抗風(fēng)設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)代建筑理念的改革創(chuàng)新和施工技術(shù)的進(jìn)步使得現(xiàn)代高層建筑物高度更高，數(shù)量更多。國際上最高的建筑物是高達(dá)828 m的哈利法塔，國內(nèi)最高的建筑物是高達(dá)660 m的深圳平安國際金融大廈。而且，我國還是臺風(fēng)高發(fā)區(qū)域，每年風(fēng)災(zāi)造成的損失巨大。比如2006年的15級臺風(fēng)“桑美”，主要影響臺灣、浙江等地，大面積摧毀房屋，直接造成500多人死亡和25億美元的經(jīng)濟(jì)損失。我國是發(fā)生風(fēng)災(zāi)非常頻繁的國家，尤其沿海地區(qū)經(jīng)常遭受臺風(fēng)襲擊，內(nèi)陸也常常出現(xiàn)龍卷風(fēng)。但是設(shè)計(jì)人員對于房屋的抗震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)并不重視，專門研究風(fēng)工程的人員和團(tuán)隊(duì)也較少，所以加大對風(fēng)工程研究的物資和人員投入迫在眉睫。

1 大氣邊界層風(fēng)特性

風(fēng)是空氣對于地球表面的相對運(yùn)動，相對于地球表面運(yùn)動時會有地表摩擦力作用產(chǎn)生過阻力，當(dāng)超過一定高度時，此影響就可以忽略。我們就稱此受摩擦力影響的高度范圍為大氣邊界層厚度，用δ表示。由于大部分建筑物的頂端都處在大氣邊界層以內(nèi)，因此對于建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究主要在大氣邊界層內(nèi)進(jìn)行。

1.1 平均風(fēng)速剖面

平均風(fēng)速剖面方法在研究風(fēng)速變化時經(jīng)常使用，屬于微氣象學(xué)研究的范疇，研究方法主要使用對數(shù)律和指數(shù)律兩種模型。

1.1.1 對數(shù)律

對數(shù)律模型當(dāng)前較為準(zhǔn)確和理想，表示大氣最低層的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速外形軌跡，表達(dá)式如下：

式中：v（z′）——z′高度處的平均風(fēng)速；

v*——摩擦速度；

k——卡曼常數(shù)，一般取0.4；

z′——有效高度；

z0——地面粗糙長度。

模型由理論推導(dǎo)得到，參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)確定或者觀測統(tǒng)計(jì)得到。通過計(jì)算分析，在高度100 m內(nèi)用對數(shù)律模型模擬較為合適，超出這個范疇，結(jié)果會偏保守。強(qiáng)風(fēng)情況下，對數(shù)律模型可以超出100 m范圍，適用范圍可以高達(dá)200 m。

1.1.2 指數(shù)律

指數(shù)律函數(shù)是指平均風(fēng)速隨著高度變化的數(shù)學(xué)模型，即：

式中：α——地面粗糙指數(shù)。

在建筑結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用中，因?yàn)橹笖?shù)律計(jì)算較為便捷，所以常常使用指數(shù)律模型進(jìn)行計(jì)算。我國荷載規(guī)范就是采用了表達(dá)式2，并給出4類對面粗糙度類別以及相對應(yīng)的梯度風(fēng)高度和指數(shù)所確定的風(fēng)剖面。如表1所示。

表1 我國地面粗糙度類別及描述

1.2 基本風(fēng)速

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，觀測某地區(qū)風(fēng)速，然后統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)得出的此地區(qū)最大的平均風(fēng)速就叫做基本風(fēng)速。這里的標(biāo)準(zhǔn)條件具體指B類粗糙度、10 m高度、10 min風(fēng)時距、50年重現(xiàn)期和極值I型分布的概率分布函數(shù)。下面對重現(xiàn)期和概率函數(shù)分布加以解釋。

1.2.1 重現(xiàn)期

假設(shè)12個月是一個自然周期，取一個自然周期中最大的平均風(fēng)速作為數(shù)學(xué)樣例。經(jīng)過一段時間，就會出現(xiàn)一個大于最大平均風(fēng)速的速度，其中這個間隔期就叫做重現(xiàn)期。

假設(shè)重現(xiàn)期為N年，則在任何一年中風(fēng)速高出平均風(fēng)速的概率為1/N。那么不能超過平均風(fēng)速的概率為：

我國的基本風(fēng)壓是按照重現(xiàn)期50年設(shè)計(jì)的，通過上式，如果重現(xiàn)期為50年，得出概率為98%。對于十分重要的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)該把重現(xiàn)期提高至100年。

1.2.2 平均風(fēng)概率分布

對于不出現(xiàn)異常的氣候，稱為良態(tài)氣候。對于良態(tài)氣候，采用極值I型分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)分析基本風(fēng)速。表達(dá)式如下：

式中：α——尺度參數(shù)；

β——位置參數(shù)。

位置參數(shù)值如式（5）

αx——根方差。

利用式（4），經(jīng)過變換，可以得到：

式中：x1——基本風(fēng)速；

F1——小于基本風(fēng)速x1的概率。

F1與T關(guān)系如下：

將式（5）得到的α和β帶入式（6）中，可寫成：

式中：x1——基本風(fēng)速。

ψ為保證系數(shù)，表達(dá)式如下：

1.3 基本風(fēng)壓

在工程計(jì)算中常常需要計(jì)算風(fēng)壓，這就需要把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓。根據(jù)伯努利方程可以得到：

式中：w1——單位面積上的靜壓力；

ρ——空氣密度；

v——沿某一流線的風(fēng)速。

則可以將基本風(fēng)速v0轉(zhuǎn)換成基本風(fēng)壓w0，即：

2 脈動風(fēng)特性

2.1 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是大氣湍流度的基本參數(shù)。其縱向分量比其他兩個正交方向上的瞬時風(fēng)速分量大得多，所以我們只關(guān)心縱向分量即順風(fēng)向湍流強(qiáng)度，其關(guān)系式為：

式中：I（z）——z處的湍流強(qiáng)度；

σ（vfz）——順風(fēng)向（即縱向）脈動風(fēng)速根方差；

Z值越大，σ越小，平均風(fēng)速越大，I（z）的表達(dá)式為：

式中：I10——10 m處的名義湍流度。

I10對應(yīng)表1中4類地貌取值分別為0.12、0.14、0.23和0.39。

2.2 湍流積分尺度

一點(diǎn)的氣流脈動由無數(shù)個漩渦組成，每個漩渦都能引發(fā)周期脈動，圓頻率為w=2πn，其中n為頻率。漩渦波長記為λ=u/n，u為風(fēng)速，則漩渦波數(shù)K=2π/λ，波數(shù)即為渦旋的大小量度。

由隨機(jī)變量y和z的相關(guān)系數(shù)定義湍流尺度：

式中：ρ（r）——相互關(guān)系數(shù)，可了解到渦團(tuán)在空間的布局；

r——兩點(diǎn)間的距離。

3 風(fēng)對高層建筑的作用

3.1 鈍體建筑物迎風(fēng)面風(fēng)壓分布

在鈍體建筑物的迎風(fēng)面，氣流流過時都有向外側(cè)流動的趨勢。圖1（a）、（b）兩圖表示，在建筑物高度的大約2/3處，存在一個大氣停滯點(diǎn)FS，氣流從此處向外流動擴(kuò)散。在FS點(diǎn)之上，流動上升至越過頂面，在FS點(diǎn)以下，流動向下流向地面。圖1（c）為建筑物的迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖。

圖1 建筑物迎風(fēng)面風(fēng)壓分布

3.2 鈍體建筑物邊界層分離

空氣具有黏性，氣流經(jīng)過建筑物表面時會形成一層流動薄層，稱邊界層。再加上空氣有慣性作用，黏性和慣性是影響氣體流動參數(shù)的兩個關(guān)鍵因子。雷諾數(shù)Re表示慣性力和黏性力的比值，表達(dá)式如下：

式中：ρ——空氣密度；

v——來流速度；

μ——空氣黏性系數(shù)；

l——建筑物表面特征尺度。

Re值較大時，慣性力為關(guān)鍵作用力；Re值較小時，黏性力為關(guān)鍵作用力。

流體沿建筑壁面向后流動時，由于黏性應(yīng)力的存在，速度會逐漸減小，則靜壓會增加。在正壓梯度的作用下，流體繼續(xù)減速，最后流動不足以讓流體繼續(xù)流動，在阻力作用下產(chǎn)生逆流，最終形成邊界層分離。

4 高層建筑抗風(fēng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

第一層次的抗風(fēng)性能的主要指標(biāo)是高層建筑結(jié)構(gòu)的振動感和生活的舒適度。抗風(fēng)性能的第一層標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)是高層建筑結(jié)構(gòu)的振動信號和住房的舒適度。第一層標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)災(zāi)烈度較小，用重現(xiàn)期為1～5年的設(shè)計(jì)風(fēng)速來確定相應(yīng)風(fēng)載荷。第二層次對應(yīng)的是重現(xiàn)期為10年的設(shè)計(jì)風(fēng)速。這個標(biāo)準(zhǔn)一般用于限制建筑物在臺風(fēng)下的振動烈度。這兩個標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還沒有對應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以對建筑物結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行氣動外形優(yōu)化，或者利用高層建筑物自動化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)抗風(fēng)設(shè)計(jì)。第三層次包括建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、位移和穩(wěn)定性的結(jié)合。對應(yīng)風(fēng)災(zāi)烈度一般為50年或者100年重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓?？偨Y(jié)見表2。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

5.1 增大截面方法

建筑物的橫截面面積的增加，可以提高建筑物的截面剛度和承載力，從而改變其固有頻率，從而減少動力風(fēng)荷載的影響。具體方法如加固結(jié)構(gòu)中增加梁、板和鋼柱等結(jié)構(gòu)。但是此方法會使得使用空間減小，并增加結(jié)構(gòu)自重。

TU352.2

A

1673-1093（2015）02-0073-04

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.02.018

2014-11-09；

2014-12-01