高层建筑抗风性能研究
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摘 要
高层建筑抗风性能直接影响到结构的整体性能，造价，以及施工难度等多方
面。随着城市的发展，土地资源的不断开发，高层建筑正以惊人的速度在全世界
一幢又一幢的拔地而起。然而如何建造一个安全可靠、适用性强、具有良好的耐
久性且经济性良好的高层建筑一直是高层建筑设计中秉持的重要基础。
在中国的超高层越来越多，许多已成为了中国甚至世界上知名的地标性建筑，
可见，一幢优秀的高层建筑不仅仅能满足人们对于土地的高度利用，更能体现一
个国家的经济实力。当今世界上最高的超高层已经达到了 800m。世界上普遍将
100m 以上的建筑结构称之为超高层建筑。
超高层建筑结构受到风荷载作用显著，其主要原因在于其基本频率与风振频
率较为接近，并且由于自然风的风速以及风压是随高度增加而增加，从而引起结
构底部受侧向力显著。因而对于超高层建筑而言，如何有效的控制风荷载对建筑
的影响，控制结构风振响应，提高结构的抗风性能在结构设计中变得至关重要。
在国内外研究的基础上，本文以一幢 200m 超高层为研究对象，主要做了以下
几个方面的工作。
(1)首先介绍自然风的形成以及风荷载是如何影响一个结构的，从而了解风荷
载的特性（包括平均风以及脉动风）。 进而介绍结构的顺风响应、横风向响应及扭
转响应，介绍结构侧向抗风性能的影响因素。
(2)通过查阅国内外文献，介绍各种有利于控制抗风的结构设计方法，并进行
详细说明，如：改变建筑物外型，增加阻尼器，加强层的添加及其设置方法等。
(3)通过具体实例，建立分析模型，对其局部特征加以改变对比其各项结构性
能，如结构位移角的幅值变化，舒适度的变化，层间抗侧刚度的变化率及变化特
性等，从而深入理解结构的抗风特性，并对各项方式做性能及性价比权衡，并就
此给出一些可供工程应用的结论。
(4)本文最终的研究成果，从结果来看，各种提高结构性能的方式对于结构各
个方面的影响各不相同，但可以总结出，对于某些问题可以依靠的解决方式是有
限的，本文就此工程，得出解决各种性能优化方面的较优方式，从而给以后类似
工程一定的借鉴作用。
关键词：高层建筑 结构体型系数 抗风特性 抗风性能优化
ABSTRACT
Wind resistant performance of high-rise building directly affects the overall
performance of the structure, the cost and difficulty of construction, etc.With the
development of the city and the continuous development of land resources, high-rise
buildings are rising by the astonishing speed around the world. However, how to build a
high-rise which has enough safety,reliability,strong applicability, high durability and
good economy has always been an important basis for the design of high-rise buildings.
In China,more and more high-rise buildings have been set up in recent years, many
of them have become the famous landmark of china even of the world.Obviously,an
excellent high-rise buildings can not only meet the use of land,but can reflect a country's
economic strength as well.The world's highest building has reached 800m, but buildings
over more than 100m high are generally called the high-rise buildings.
High-rise building structure is significantly affected by wind loads, the main reason
is that the basic frequency of high-rise building and wind vibration frequencies are close,
and the speed of natural wind and wind pressure is increased with increasing altitude.
Thus for high-rise buildings,how to control the wind loads effectively,how to control
wind vibration response of structure and how to improve the wind-resistance
performance in structural design become quite important.
With the basis research at home and abroad,this paper take a 200m high-rise
building as the research object, mainly do the work as follows:
(1) First of all,there will be a brief introduction fo the the natural wind and how
wind load influence a structure,which will help understanding the characteristics of
wind load（including the mean wind and fluctuating wind）.After that there will be an
introduce the influences a structure may suffer including the along-wind response,
across-wind response and the torsional response.After all introduction of the factors that
may affect the lateral wind resistance performance of a structure will be given.
(2) Through domestic and foreign literature, description of the various structural
design method to control the wind load will be introduced.Then describ them in detail,
such as: changing the building appearance, increasing the damper, adding strengthen
layer and the way to arrange them etc.
(3) Through specific example, an analysis model will be built up.Changes of the
structure may greatly influence the performances of the structure, such as changes in the
amplitude of displacement angle, changes in the degree of comfort, change ratio and
change characteristics of interlayer lateral stiffness etc.Through these analysis,wind load
and resistance of structure can be better understand ,which may give some available
conclusion for engineering application.
(4) From the results,the final results of research are as follows: all kinds of
improving structural performance way influence to structure various aspects of each are
not identical, but can be summed up, for some problems can rely on the solution is
limited, this paper works, solve the performance optimization better ways, so as to give
future similar project reference.
Key words: High-Rise building,structure shape coefficient structure，
wind-resistant performance，wind resistance performance optimization
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
1.1 概述 ........................................................ 1
1.2 研究意义 .................................................... 1
1.3 国内外结构抗风的研究现状 .................................... 3
1.3.1 结构风工程基本研究方式 .................................. 3
1.3.2 高层抗风基本要求 ........................................ 4
1.3.3 结构抗风研究重点方向 .................................... 5
1.4 本文的主要工作 .............................................. 6
第二章 结构抗风基本概念 ............................................. 7
2.1 风、风速及基本风压 .......................................... 7
2.2 风对结构的作用 .............................................. 7
2.2.1 结构风的确定 ............................................ 7
2.2.2 结构对风的响应及其基本原理 ............................. 12
2.3 本章小结 ................................................... 18
第三章 提高高层抗风性能措施概述 .................................... 19
3.1 建筑措施 ................................................... 19
3.1.1 边角柔化措施 ........................................... 19
3.1.2 建筑结构的收进 ......................................... 20
3.1.3 局部开洞措施 ........................................... 20
3.2 结构措施 ................................................... 21
3.2.1 设置斜支撑措施 ......................................... 21
3.2.2 设置加强层措施 ......................................... 23
3.2.3 设置阻尼器措施 ......................................... 24
3.3 本章小结 ................................................... 27
第四章 某超高层结构概况 ............................................ 28
4.1 综述 ....................................................... 28
4.2 基本条件 ................................................... 29
4.3 结构布置及主要构件尺寸 ..................................... 30
4.4 结构超限类型和程度 ......................................... 31
4.5 本章小结 ................................................... 32
第五章 模拟及分析 .................................................. 33
5.1 前言 ....................................................... 33
5.2 结构模型建立与参数设定 ..................................... 38
5.2.1 塔楼整体计算参数 ....................................... 38
5.2.2 整体计算结果汇总 ....................................... 41
5.3 风荷载作用 ................................................. 43
5.3.1 弯矩及剪力响应 ......................................... 43
5.3.2 舒适度验算 ............................................. 45
5.4 结构抗风性能评价 ........................................... 45
5.4.1 建筑外形的影响 ......................................... 46
5.4.2 结构形式的影响 ......................................... 62
5.4.3 阻尼器的影响 ........................................... 72
5.5 本章小结 ................................................... 77
第六章 结论与展望 .................................................. 79
6.1 结论 ....................................................... 79
6.2 展望 ....................................................... 80
附 录 .............................................................. 81
参考文献 ........................................................... 88
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 92
致 谢 .............................................................. 93
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 概述
高层建筑已经成为当今社会不可或缺的一部分，但为了满足社会发展的需要，
所面临的问题并不是建造一座高层建筑，而是如何有效使用现有科技，材料的基
础上全面地认识高层建筑，并达到适用性，安全性，舒适性，耐久性，经济性的
统一实现。
高层建筑结构从材料选择来讲主要有钢筋混凝土结构以及钢结构（其中钢筋
混凝土结构亦包括型钢混凝土结构亦或钢管混凝土结构等混合结构的应用）， 由于
结构材料的选择不同会引起其不同的受力性能和设计特点。此外，高层建筑为提
高其抗侧能力，一般采用框架-核心筒或者筒中筒结构，对于一些特别的超高层也
能能采用的多筒结构体系和巨型框架结构体系以达到更强的抗侧向能力。
在高层建筑中，水平侧向荷载（而非重力荷载）成为了主要的控制因素，结
构的侧向位移则成为设计中主要的控制指标。水平荷载一般包括有地震作用以及
风荷载，其中地震由于其未知性对于建筑的危害极大，但随着高层建筑的高度增
加，结构从完全的刚性结构转变成了柔性结构，这使得风荷载所引起的水平侧向
荷载亦不容忽视。当建筑结构在风荷载作用下不能满足结构强度、刚度要求时，
至今已有许多加强改善方式，如：结合设备层、避难层设置加强层，将建筑物的
边角柔化，局部开洞，设置阻尼器等等。但对于200m左右的超高层而言，为使建
筑结构即经济又安全，如何合理地选取结构形式及合理的抗风措施将成为研究的
重点方向。
本文首先介绍风荷载的特性以及对结构的主要作用，进而介绍可以提高结构
抗风措施的基本原理，最后通过一个200m左右的实例分析，更全面地了解各种抗
风措施对该结构抗风性能及整体性能的影响，以便工程分析应用。
1.2 研究意义
在强风作用下，超高层建筑不仅要承受平均风所产生的静定风压，从而使得
结构产生一定的侧向变形，同时也将受到脉动风的影响而产生振动，这种风振响
应一方面会增加结构物在静定风压作用下的位移限值，从而使得结构变形过大，
无法正常使用，另一方面，由于这种振动的产生，会使得建筑物内的使用者产生
不舒适感，从而影响其使用功能。
国内外统计资料表明，在所有的自然灾害中[1][2] [3]，风灾所造成的损失为各灾
高层建筑抗风性能研究
2
害之首。风灾给中国所带来的经济损失不计其数，此外也使得大量普通居民因此
葬生。1994年8月，9417号台风就引起了1100多人死亡，几百亩地被海水淹没，直
接经济损失达到100亿元，另有80m的通讯塔在台风的作用下倒塌，导致大量信息
中断，后果不堪设想，而于1971年完成的美国波士顿约翰-汉考克大楼（241m）在
飓风作用下，房屋发生剧烈振动，并产生大位移，从而使得结构部分受损的同时
所有的外墙玻璃均受损，导致大厦需重新改造，加固，经济损失之外，时间上的
损失更为巨大。故可以看出对于高层建筑抗风设计必须予以足够的重视。
风荷载作为一种经常性的荷载作用，因此在考虑风荷载时，不仅需要考虑结
构抵抗侧向力的强度以及刚度，同时也必须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，这一观点已得到国内外各个研究者的重视，为了满足这
一要求，国内外以结构顶层加速度为控制指标定义舒适度要求[4][5][6]。
设计超高层建筑中必须同时把握其刚度，强度，舒适度的要求，其中刚度要
求从一定程度上控制舒适度指标，但并不是唯一的控制要求，故因区别处理。对
照国外的研究成果和有关规范，对于高层建筑主要从构件承载力，正常使用情况
下的延性控制为主，而对于高层建筑的抗风设计主要通过轴压比，刚重比，周期
比，位移比，以及顶点加速度的限制控制为主要控制点，通过研究发现，这些大
指标对于结构的整体抗风作用较为显著，应予以足够的重视。
此外，我国的《高层建筑混凝土规范》
[4]3.7.6条对照国外的研究成果和有关标
准，发现舒适度与风振加速度之间的关系如表1-1所示，并对结构顶点加速度予以
下一规定：对于房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足表1-2所示风振
舒适度要求，且计算混凝土结构顶点加速度时，取阻尼比为0.02。
表 1-1 舒适度与风振加速度的关系[4]
不舒服的感觉
建筑物加速度
无感觉
<0.005g
有感觉
0.005~0.015g
扰人
0.015~0.05g
十分扰人
0.05~0.15g
不能忍受
>0.15g
表 1-2 结构顶点峰值加速度限值（10 年重现期）[4]
使用功能
住宅、公寓
办公楼、酒店
峰值加速度限值（m/s2）
0.15
0.25
第一章 绪论
3
本条文中的顶点最大加速度限值，主要参考了加拿大国家建筑规范[7][8]，再结
合我国国情确定以结构顶点加速度作为控制人体舒适度指标，并以表 1-2 给出数据
规定顶点加速度限值。我国关于结构在风荷载作用下的，结构顺风向及横风向荷
载值以及结构顶点加速度的计算均根据国外经验加以变换使用。为了工程计算和
使用上的方便，我国规范定义了风振系数这个参数（选取了脉动增大系数、脉动
影响系数等参数），并通过惯性加速度法简化计算顶点加速度，数值上很大程度依
靠惯性力的大小，影响因素较多，故一般需进行风洞试验作为验证手段。
风荷载作用下，结构的强度、刚度、舒适度正越来越受国内外研究生的重视，
故对于强度、刚度、以及舒适度做了各种各样的规定，但对于 200m 左右的建筑结
构，首先必须先满足结构强度和刚度方面的要求，达到规范限定规定之后，再进
一步进行舒适度验算，因此选择合理的结构抗风措施提高超高层结构抵抗风荷载
引起的侧向力，以及控制风振加速度是结构抗风设计中必不可少，也是至关重要
的一个环节。故本文将研究的重点集中于 200m 左右，经济性较好的超高层建筑的
结构抗风性能研究。
1.3 国内外结构抗风的研究现状
对于结构抗风研究由来已久，但随着研究的深入，很多问题已经为世人所解
决，例如：高层结构顺风向荷载的取值的简化方式包括风振系数的的选取，以及
结构体型系数的选取等已经在国内外各个规范中所确定，并由大量的风洞试验所
参考证明其取值是安全可靠，并且是经济合理的。
1.3.1 结构风工程基本研究方式
结构风工程，属钝体绕流问题，是一项多学科交叉的问题，难度较大。目前，
高层建筑的抗风计算和风振控制有着重要的应用价值和发展前景。就结构风工程
的研究方式主要通过以下三种模式分析建筑结构的受力情况以及自然风在遇到建
筑物之后的流动变换情况：1、实测数据，2、风洞试验模拟，3、计算风工程（CFD
数值模拟）。
国内外对于此三种方式依旧是保持着相当的热度，以实测数据为例，为了给
予结构设计足够的依据，即使监测费时费力，但依旧是研究的重要途径之一，例
如对于上海金融中心，金茂大厦等都有着完备的监测系统，此外戴益民，李秋胜
等人对于低矮房屋风荷载特性的实测值与风洞试验值作对比研究，从中可以发现
最准确的实测值与风洞值的差别，并予以修正。
而对于风洞试验则是自 A.G Davenport 成功建立第一座风洞试验以来就成为了
人们研究风作用的主要途径。
高层建筑抗风性能研究
4
随着科技的发展，实测数据的积累，风洞试验的完善，诞生了 CFD计算流体
力学。CFD 计算流体力学最初是通过英国人 THOM 通过求解二维粘性流体偏微分
方程开始的，之后英国每四年举办一次国际风工程学术会议。近来 Stathopoulous
等人提出了对于
k
模型进行修改，提高了精度，并逐步完善计算流体力学的湍
流模型。在国内近几年已经每隔两年举办一次结构风工程会议，由此可见风工程
的研究以及建筑结构抗风设计的应用及分析方法已经在国内得到了重视。同济大
学土木工程防灾国家重点实验室的杨伟，顾明等人，对于高层建筑三维定常风场
进行数值模拟，并应用标准
k
和REAlizable
k
两种湍流模型计算了大气边界
层中单栋高层建筑的定常风流场，并提出其与风洞试验结果相符，精度较高等结
论。
1.3.2 高层抗风基本要求
空气的流动形成风，风作用在建筑物上，一方面风会由于建筑物的阻碍而改
变其原有的运动方式，另一方面，建筑物在风荷载的作用下会产生位移，这一位
移可以分解为两部分：一部分就是平均风所产生的稳定的位移;另一部分则是脉动
风所引起的结构振动。因此结构风荷载具有静定力以及动力荷载两种特性。故就
风对建筑物的作用特点的归纳为以下几个方面:(1)结构物表面的风压荷载与高层
建筑结构的外形直接有关，工程上一般以体形系数表示风值的大小;(2)风力受建筑
物周围环境影响较大，有时因高层建筑尾流现象使得风荷载加大，应予以重视;(3)
风力在建筑物上的分布很不均匀，在局部区域，可能会产生较大的风力，故对风
荷载的分布应予以重视;(4)与地震作用相比，风荷载的持续时间较长，且在建筑物
生存期内出现较大风力的概率较大。故根据结构风的特性，可以将超高层建筑抗
风性能研究控制内容总结为以下三个安全界限:
(1)水平位移极限值：对于高层建筑，通常由变形破坏准则来评估其结构不发
生破坏的抗风可靠性。主要由结构顶点位移和结构层间位移（国内一般用位移角
作为控制指标）来保证结构不受破坏；
(2)舒适度极限值及疲劳破坏极限值：风致振动引起高层建筑结构上的人们感
到不舒适，而使人体感觉不舒适，从国内外研究发现，其因素是振动的加速度的
大小、持续时间和变化频率，故国内对于结构顶点加速度也予以了限制，此外，
由于风荷载是经常性荷载，所引起的风振也是长存的，故风振会引起结构及构件
发生疲劳破损；
(3)强度破坏极限值：对高层建筑而言，结构构件的局部破坏，主要取决于结
构的变形所引起的应力集中现象，从而导致材料达到屈服强度，甚至达到破坏强
度。
第一章 绪论
5
从以上三种界限可以看出，对于高层结构而言，刚度要求尤为重视，尤其是
结构舒适度极限要求，在近几年中，国内外对于高层结构舒适度的要求再三强调，
可见对建筑的结构风振响应予以足够的重视。其中 1967 年chang 提出所建议的顶
点加速度值与舒适度的关系亦逐步被人们所认可，并已经应用于我国高层规范之
中。
此外，如果风荷载较大，且频率与结构基本周期较为接近时，结构可能会因
此产生共振现象，动力效应显著增加，从而导致结构构件破坏，结构变形过大等
情况。为了防止结构因风荷载作用而产生破坏，一般通过加强结构构件，即通过
提高结构本身的强度和刚度，由结构本身消耗风振来抵御风荷载。除此之外还有
许多其他的方式提高结构抗风能力，如：将建筑物的边角柔化，局部开洞，设置
阻尼器等等。这些方式一般不会改变结构的基本性能，但却能确实有效地提高结
构的整体抗风能力，从而满足结构抗风的基本要求。因而合理有效的选择抗风设
计措施至关重要。
1.3.3 结构抗风研究重点方向
目前国内有关高层建筑抗风性能研究还有一条很长的路要走，就其研究对象
及研究方向而言，具体表现在以下方面:
(1)CFD 计算流体力学应该在风工程中加以推广并予以足够的重视，国内应进
一步通过风压实测数据，以及风洞试验数据的整体，改善 CFD 计算模型，如标准
k
模型等，使得 CFD 计算流体力学的计算准则更加清晰，精度更高，从而使得
结构风压测试的成本及精度大大提高。
(2)研究精度有待进一步提高。现今对于高层建筑结构风荷载取值统一是通过
结构体形系数，风剖面曲线，以及风振系数等进而简化为等效静定荷载，从而进
行结构抗风设计，即使设计安全，但由于做了大多简化工作，就其经济性而言，
有待商榷。
(3)应更注重风荷载时程曲线与结构响应的联系。从国内的研究现状可以发现，
对于高层建筑结构的设计一般仅通过两种方式以获得结构在风荷载作用下的响
应，1规范规定方法计算，2风洞试验获得的数值，其中并不包括应用 CFD 校核，
或者应用时程曲线校核，未来应该注重此两方面的校核和验算。
总体而言，未来结构抗风的研究重点在于数据的整合和编织，亦通过更多的
风洞试验，更多的数值模拟试验，更多的工程实测值，这些数值之间的对比，比
较，进而整理出一份更为详细，更为合理的风荷载取值方法，进而应用到结构设
计中，从而保证结构安全行与经济性能够兼顾。
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：96 页
大小：4.3MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
