摘要：随着社会经济的高速发展，城市低层建筑已不能满足人类的居住需求，高层建筑的出现应用满足了此方面的困难，在结构设计中，高层建筑相比于低层建筑承受更大的风荷载作用，而风荷载的不确定性因素导致结构设计的繁琐，同时基于低层建筑的荷载分析难以应用于高层建筑，因此研究高层建筑结构在风荷载作用下的响应是十分必要的。
关键词：高层建筑结构；风荷载作用；问题
引言
高层建筑的结构设计中往往水平荷载起决定性作用，随着建筑层数的增多、高度的增加，风荷载与地震作用更加成为结构设计的控制因素。而风荷载的强弱既取决于其自然特性，又与建筑的体型特征密切相关。
1.风荷载的基本概念
在工程设计中，风力常用风压来表示。根据测得的风速可以求出风压，风速是随高度、周围地貌的变化而变化的。在设计中所用的风压是基本风压。基本风压是按规定的地貌和高度所测风速经统计换算确定的。离地面越近，地面对风的摩阻也越大，风速便会减小。我国现行《建筑结构荷载规范》规定的基本风压是以10米高为标准高度。风速与地表的粗糙度有关，粗糙度越大，风能消耗也越大，平均风速便减小，我国将地表粗糙度分为A、B、C三种。风载具有很大的随机性，因而对最大风速的测试结果各年都不一样，但在结构设计中必须保证结构的安全性，也就是所用的风荷载必须具有很大的代表性和预防性。
我国最大风速的重现期一般为30年一次，高层建筑为每50年一次，最重要的结构为每100年一次。屋面结构是房屋的重要组成部分，起着围护和承重的作用.在风的作用下，屋面承受大量的风荷载。如果结构的自重负荷不足以抵抗吸力，则屋顶可能被吊装破坏。因此，风荷载是屋面设计中的一种重要的设计荷载。实际上，风的方向是任意的。对于混凝土结构，在风荷载作用下既有水平力，也有竖向力。对大多数结构而言，水平风起主导作用。就屋面结构而言，当风沿水平方向时，风荷载通常对屋面产生相当大的风荷载，且垂直方向的分量力很大。因此，屋面结构既可以考虑水平风荷载，也可以考虑竖向风荷载。
2.高层建筑结构风荷载研究主要方法
目前，对于高层建筑风荷载的研究其主要方法有：
2.1 风洞实验研究
由于风荷载与结构的相互作用机理复杂，理论分析比较困难，因此尚需进行物理实验，才能了解流体在钝体结构中流动所引起的复杂影响。目前，低速风洞试验是研究高层建筑风振响应的主要方法.
2.2 理论研究
研究高层建筑风振响应的方法主要有两种：1）频域法，根据随机振动理论，建立输入风荷载谱特性与输出结构响应之间的直接关系。2）时域法是一种直接的动力方法，以时变风荷载为输入数据，计算结构的阻尼、刚度和质量分布。通过直接求解运动微分方程，可以得到动态响应数据。
2.3 计算风工程
计算风洞法，又称数值风洞法，是以流体力学理论为基础，借助先进的计算机模拟风与结构相互作用的数值方法。
3.风对建筑的作用效应剖析
3.1风效应
风对结构的作用受到风的自然特性、结构的动力特性以及风和结构的相互作用的制约，从工程抗风设计的角度来看，可把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分，分别考虑它们对结构的作用。在风作用下结构上的风力含有顺风力、横风力和扭力矩三种（见图1）。顺风力是结构抗风工程中的必须考虑的效应，在一般情况下起主要作用。横风力及共振是在横风力作用下，由于空气的粘性和流速，在结构的尾部会产生流体旋涡脱落。当风速达到某一临界值时，结构运动会无限制地增大，产生空气动力失稳。
图1 建筑周围气流与结构上的风力
3.2建筑体型与风作用
不同形状的高层建筑的风速、风向和流场以及它们的布置都会发生很大的变化，从而影响建筑物的风荷载。（见图 2）。
图2 风对建筑的作用
1）尾流效应：被吸入建筑物背风面真空区形成强烈下旋气流。
2）狭管效应：建筑物紧密相依造成狭长空间，主导风通过，气流瞬间增强。
3）角落效应：建筑角落部分形成猛烈气流。
4）漏斗效应：当风从建筑物之间的空间流向较小的空间时，风速增大，类似于流经建筑物的水流。为了减小风效应的影响，在设计中应选择合理的体形组合。
3.3建筑平面与风作用
建筑平面对风荷载的响应主要有两个方面：一是不同体型系数引起的风压差异（见图2）。二是扭转引起的应力集中。1）规则平面：在风荷载作用下，形状系数为n/n-2，其中n为边数，边数越多，风压越小。由于规则对称，扭转效应很小，应力集中较弱。2）开口方向与主导风向的关系决定形状系数和风压的大小，开口方向与主导风向的关系决定形状系数和风压。当开口正向风向时，会产生更大的风压。同时，不对称复杂平面在水平风荷载作用下容易发生扭转和应力集中，不利于结构的抗侧移设计。
图3 不同建筑平面的体型系数
3.4风荷载对建筑的影响
风荷载会引起建筑物的侧向位移，这与高层建筑的安全和使用密切相关：过度的侧向变形会导致结构的附加内力过大，这与位移成正比，附加内力越大，位移越大。由于恶性循环的形成，加速了建筑物的倒塌。横向变形过大会导致结构损伤或裂缝，从而使结构的正常使用和耐久性差，会造成隔墙、防护墙、幕墙和各种饰面的损坏或裂缝，影响人们的正常生活和工作。
4结论
风荷载对高层建筑的安全性和可靠性起着重要的作用.在高层建筑结构设计中，应严格测量风荷载，控制设计要点，结合地区实际，科学合理地进行高度设计，采取有效的防风结构措施，控制水平荷载，创造安全。舒适的高层居住环境。
参考文献：
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[2]gb50009-2001.建筑结构荷载规范[s].2012年
[3]布正伟现代建筑的结构构思与设计技巧[m].天津：天津科技出版社，2016年
论文作者:李浩斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/29
标签：荷载论文; 结构论文; 风压论文; 风速论文; 作用论文; 高层建筑论文; 建筑论文; 《基层建设》2019年第6期论文;