平面不規則高層建筑結構受力響應分析范文

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【摘要】風載荷是高層建筑的主要動荷載之一，在城市化高速發展的背景下，城市建筑逐漸向高層建筑方向發展，且高層建筑呈現逐年上升的趨勢，風載荷隨著建筑高度的增加顯得更加重要，尤其是對一些平面不規則的高層建筑結構，風載荷起到決定性的作用。那么在高層建筑結構受力設計環節中，就應該合理的進行結構抗風設計，這樣才能最大化確保高層建筑結構滿足設計要求。

【關鍵詞】高層建筑；風載荷；結構受力；抗風設計

一、高層建筑結構的發展狀況

1.高層建筑興起的原因。產業革命的興起促進了社會經濟的發展，人口向城市內集中，導致城市用地緊張。從城市建設角度看，建筑物向高層方向發展，能夠有效節約城市建設投資。建筑向高層方向發展，能夠有效縮短人與人之間的距離，減少人在地面上的活動率，提高人的工作效率。從建筑面積來看，高層建筑能夠為人類活動提供更多的自由空間，對人們的休閑和城市的綠化具有積極作用。除此之外還有科學技術的發展和經濟的發展促進了高層建筑的興起。2.高層建筑結構設計的特點。高層建筑的荷載主要是由水平載荷決定，而低層建筑的載荷是由豎向載荷決定，所以載荷成為高層建筑結構設計的決定性因素，在高層建筑結構中，隨著高度的增加，水平荷載影響越大。在高層建筑結構中，側移控制主要是為了保障結構的舒適性和使用性，更是為了保障高層建筑結構的安全性。而對于低層房屋結構來說，結構控制只需要考慮彎曲變形，注重的豎向位移。在高層建筑結構設計中，最需要考慮的問題就是地震動力響應和風振，結構的動力對高層建筑結構的荷載影響較大，主要是地震和風作用比較復雜，在結構設計時必須要進行綜合的分析，同時也是高層建筑結構動力響應設計的一大難題。通常情況下高層建筑結構在設計時，應當選擇性能良好的材料，材質輕、性能高強，這樣可以大大減少重力荷載，還能節約建筑施工成本，另外輕質材料的使用可以大大降低建筑結構的質量，從而減少結構動力荷載。在高層建筑結構設計中，首先在空間設計上要滿足實際應用的需求，那么建筑結構的體系必須要具有抗側能力，其高度不同結構體系也不同，促使抗側力結構成為高層建筑結構設計的重要因素。

二、風對建筑結構的作用以及結構抗風設計的要求

風在空氣中流動時，若沒有阻擋物，氣流比較平穩，一旦受到建筑物的阻擋，就會形成高壓氣幕。氣流速度越大，對建筑物的影響就越大。在建筑結構設計計算時，必須要根據風壓和風速進行計算，不同的風速有不同的風壓。從我國的《建筑結構載荷規范》中可以看出風荷載按照Wk=βzμzμsW0，其中基本風壓為W0，風壓高度變化系數為μs，風荷載體型系數為μz，高度處的風振系數為βz，風荷載標準值為Wk。我們生活中常見的風主要是地面流動的風，同樣作用在建筑物上的風也是如此。地面上的風會受到流經地區的地貌和地形影響，以及風自身的變化，導致僅地面上的風作用在建筑物上呈現出紊亂性和隨機性的特點。一般情況下近地風風味脈動風和平均風，這兩種風對建筑結構受力影響最大的就是脈動風，那么在結構設計時必須要考慮到動力的作用。風對建筑物結構的作用會產生振動，主原因是脈動風會引發結構物的順風向振動，在結構物逆風向會產生橫風向振動，同時空氣受阻尼還會引發建筑物產生橫向失穩式振動。風效應對建筑結構的影響主要包括四個方面：平均風靜力效應、脈動風振效應、旋渦干擾風振效應、自激振動效應等。

三、高層建筑結構抗風設計理論

1.基于性能的結構抗風設計理論。高層建筑結構不同于低層建筑結構，具有較大的高寬比，同時抗側剛度比較小，在長期應用過程中會受到風荷載和地震作用的影響，從而影響到建筑物的質量問題和受用壽命，所以在高層建筑抗風設計時需要充分考慮到這兩個影響因素。在風荷載和地震作用中，對高層建筑影響最大的就是風荷載，同時也是高層建筑結構受力所需重點解決的問題。在高層建筑結構受力響應中，建筑結構的性能是必須要考慮的一個問題，尤其是平面不規則高層建筑，在抗風設計時需要針對不同強度的水平風振，實現對高層建筑結構的有效控制，確保高層建筑結構的舒適性和安全性。保證高層建筑結構在使用壽命周期內，能夠達到抗風的目的。2.結構風振性能水準。在高等教育事業中，結構工程專業中對風振系數有著詳細的了解，且是風荷載計算的一個重要系數，通常情況下風振系數越大，風荷載值就越大。在高層建筑結構中，側向力對高層建筑結構受力相應最大，必須要有個合理的振動值，一旦振動值超過人的舒適性，就會產生不舒服的感覺，一般情況下舒服的感覺分為六個等級，從重到輕分別是無法忍受、非常煩惱、煩惱、中等振感、輕微振感和無振感。高層建筑結構受力的性能水準，就是指在建筑物如果遭受到某種風的作用，那么建筑物能夠允許的最大破壞度和最大容許舒適度。所以高層建筑結構受力需要從變形和舒適度兩個方面確認最終的性能水準。3.結構性能目標。在高層建筑結構受力設計中，通常情況下都會對建筑物模型進行試驗，通過設計風壓等級的方式來確認整個高層建筑結構是否能夠滿足性能水準的總和，在設計時需充分考慮到功能需求和使用要求。4.結構抗風計算。在基于風荷載作用下的平面不規則高層建筑結構受力計算中，需要滿足四個方面的要求，首先是計算方法必須要容易掌握且具有較強的適用性，這樣不僅可以減少計算量，還能確保模擬過程的順利性，并高度重視模擬工作。其次是按照不一樣的性能目標進行計算，計算后并選擇具有實用性的分析方法。然后在選擇計算方法時，必須要同時分析風振的動力時程，并計算模擬風場。另外在模型分析時，需要充分考量非線性恢復力特征，并充分考量結構的線性。風洞試驗是高層建筑結構受力響應研究必不可少的一個環節，主要目的是對大氣邊界層風對建筑物結構受力情況進行測量。由于高層建筑物很容易產生較強的地面風，且這種地面風的破壞力比較大。如果此時的高層建筑物比較密集，那么在高層建筑物之間形成一個強大的風洞，并加大風荷載對高層建筑結構的作用。

四、高層建筑結構在風荷載作用響應研究

1.結構風工程研究方法。根據高層建筑結構抗風設計理論可以看出，結構風工程的研究方式主要是根據實際情況采取對應的研究方式，一般情況下分為三種情況：模擬方法在高層建筑結構受力響應研究中是一種比較常用的研究方法，通過計算機和實驗室進行模擬，最終得到風荷載對高層建筑結構受力的影響，包括風洞模擬和數值模擬。理論計算在土工工程專業中，是教學的重點，更是學術研究的重點，理論研究包括頻域法和時域法，頻域法主要以隨機振動理論為主，通過建立直接關系進行計算；時域法是直接動力法，直接投入計算公式計算。實地考察主要是應用相應的設備儀器進行實地測量，測量內容包括風速、風荷載的加速度、風壓，最后將所有數據進行整理，并計算出風荷載振動響應數據。2.風荷載研究方法。在高層結構風荷載研究中，主要研究是近地面空氣流動所產生的風荷載，由于近地面風沒有規律性，需要根據實際情況具體分析。按照風向可以分為扭轉風向、逆風向和順風向，在順風向同樣需要根據具體情況具體分析，分為平均風和脈動風，平均風對建筑結構產生靜力荷載，高度越高對結構響應力就越高。脈動風屬于動力性風，主要受到振動內力、位移和加速度的影響。目前對橫向風和扭轉風險研究較少。結語綜上所述，在高層建筑結構設計中，由于受到規劃布置、外觀設計和功能特性等要求，最終導致建筑結構呈現出平面不規則現象。平面不規則在受風荷載作用的影響，會使整個高層建筑結構受力發生整體的變化，在各個不規則交接的地區產生變形集中和應力集中的現象。對于平面不規則高層建筑結構受力設計而言，不僅工作量大，同時也增加了設計師的挑戰性，所以在設計過程中，必須要充分結合實際情況，同時應用各種理論，這樣的設計才能最大化保證平面不規則高層建筑結構的舒適性、穩定性和安全性。

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作者：應淳羽 單位：延安大學