隨著現(xiàn)代材料技術和施工技術的發(fā)展，土木結構向著高、大跨、柔、輕質(zhì)和低阻尼方向發(fā)展，使得結構對風的敏感性大大增強，風荷載正逐漸成為結構設計時的主要側(cè)向荷載之一，甚至是決定性的設計荷載。因此對于高、長等柔性結構的抗風計算和設計是結構抗風安全的關鍵，具有重要意義。合理的進行結構抗風設計，是保證結構安全的重要因素，特別是超限高層建筑，由于它們的結構設計計算己經(jīng)超出了相關規(guī)范及規(guī)程的要求。因此，在設計時應進行專門的研究，對于實際工程具有現(xiàn)實的指導意義。
一、風對建筑結構的作用及結構抗風設計要求
風荷載是建筑物的主要荷載之一，雖然其作用幅度比一般地震荷載小，但其作用頻度卻較地震荷載高得多。隨著結構規(guī)模的增加(高度與長度)，風荷載變得越來越重要以至于最后成為結構設計中控制性荷載，即非抗震
設計時的荷載效應組合控制結構的設計。
1.1 建筑結構的風致效應
建筑結構的風致效應包括靜力效應和動力效應。靜力風效應是指由于結構上的靜力風荷載所引起的結構的靜內(nèi)力和靜位移;動力風效應是指由結構上的脈動風荷載和漩渦干擾力所引起的結構的振動反應，包括振動內(nèi)
力、振動位移和振動加速度。
1.2 風對建筑結構的作用
在風力的作用下處在風場中的建筑物承受由風引起的靜力荷載與動力荷載。按風對建筑物作用力的方向不同可分為:
1.在建筑物的迎風面上產(chǎn)生的壓力(氣流流動產(chǎn)生的阻力)，包括靜壓力和動壓力;
2.在橫風向產(chǎn)生橫風向干擾力(氣體流動產(chǎn)生的漩渦擾力與湍流脈動壓力);
3.空氣流經(jīng)建筑物后在建筑物的背后產(chǎn)生的渦流干擾力(包括背風向的吸力)。
1.3 建筑結構抗風設計要求
建筑物抗風設計必須保證結構在使用過程中不出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，主要涉及以下幾個方面：
1.結構抗風設計必須滿足強度設計的要求，也就是說結構的構件在風荷載和其他荷載的共同作用下內(nèi)力必須滿足強度設計的要求。確保建筑物在風力的作用下不會產(chǎn)生倒塌、開裂和大的殘余變形等破壞和損傷。
2.結構抗風設計必須滿足剛度設計的要求，以防止建筑物在風力作用下產(chǎn)生過大的變形，引起隔墻的開裂、建筑裝飾和非結構構件損壞。
3.結構抗風設計還需要滿足舒適度設計的要求，以防止人員對風力作用下引起的擺動造成不舒適感。
二、高層建筑結構風荷載研究主要方法
目前，對于高層建筑風荷載的研究其主要方法有:
2.1 風洞實驗研究
由于風荷載與結構的相互作用機理復雜、理論分析困難，要深入了解流體流經(jīng)鈍體建筑物所引起的許多復雜作用仍然需要進行物理實驗。目前低速風洞試驗是研究高層建筑風振響應的主要方法。
2.2 理論研究
高層建筑風振響應理論研究主要有兩種方法：1）頻域法，它根據(jù)隨機振動理論，建立了輸入風荷載頻譜特性與輸出結構響應之間的直接關系。 2) 時域法，它是一種直接動力方法，是基于將隨時間變化的風荷載作為計
算的輸入數(shù)據(jù)，結構的阻尼、剛度、質(zhì)量分布是計算的對象，直接求解運動微分方程而最終得到動態(tài)響應數(shù)據(jù)。
2.3 計算風工程
計算風工程又稱為數(shù)值風洞方法，它以流體動力學為理論基礎，依靠先進的電子計算機用數(shù)值方法模擬風與結構的相互作用過程。
三、風振控制
3.1 控制的概念
最早是由Kabori和Minai在1960年提出的。與結構自身的加固和加強相比結構中引進附加控制系統(tǒng),具有明顯的優(yōu)勢。結構控制是控制技術和建筑領域的交叉學科,是建筑模型下應用控制理論達到建筑安全、舒適目標的
課題。根據(jù)控制力是否有外加能源輸入,結構控制可分為被動控制和主動控制。
3.2 被動控制
被動控制突破了傳統(tǒng)的設計方法,使僅依靠增加結構本身性能來抵抗動力荷載的方法發(fā)展為由結構的抗震抗風控制體系能動地控制結構的動力反應。
3.2.1 耗能減振系統(tǒng)
耗能減振系統(tǒng)是把結構物的某些非承重構件設計成消能元件,或在結構物的某些部位設置阻尼器,在風荷載作用時,阻尼器產(chǎn)生較大的阻尼,大量耗散能量,使主體結構的動力反應減小。耗能減振系統(tǒng)可分為兩類:(1)耗能構件
減振體系,利用結構的非承重構件作為耗能裝置,常用的耗能構件包括耗能支撐、耗能剪力墻等。(2)阻尼器減振系統(tǒng),包括粘彈性阻尼器VED、金屬阻尼器、摩擦阻尼器等。
3.2.2 吸振減振系統(tǒng)
吸振減振技術是在主結構中附加子結構,使結構振動發(fā)生轉(zhuǎn)移,即使結構的振動能量在主結構與子結構之間重新分配,從而達到減小結構風振反應的目的。目前主要的吸振減振裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD、調(diào)諧液體阻尼器
TLD等。
3.2.3 TMD系統(tǒng)（Tuned Mass Damper）
TMD能有效地減小結構風振反應已為人們普遍接受。已有許多TMD成功地裝置在世界各地的高層鋼結構上,如美國紐約的Citicorp Center(59層),臺北101大樓等。
3.2.4 調(diào)諧液體阻尼器TLD （Tuned Liquid Damper）
利用液面振蕩力作為控制力作用于結構時為調(diào)諧液體阻尼器TLD。簡化模型主要有“集中質(zhì)量法”和“淺水波動理論法”兩類。
3.3 主動控制
由于主動控制的實時控制力可以隨激勵輸入改變,其控制效果不依賴于外荷載的特性,因此明顯優(yōu)于被動控制，越來越得到人們的重視。目前,結構主動控制的理論研究以各種控制算法為主線,采用計算分析和模擬方法研究
結構主動控制的可行性、控制系統(tǒng)的時滯效應和時滯補償、控制參數(shù)對控制效果的影響等問題。各種主動控制算法不斷被提出。
四、高層及超高層建筑風振舒適度控制
高層建筑在強風作用下由于脈動風的影響將產(chǎn)生振動,這種振動有可能使在高層建筑內(nèi)生活或工作的人在心理上產(chǎn)生不舒服感,從而影響建筑物的正常使用。高層建筑鋼結構的剛度相對較小,人體舒適度問題更為嚴重。因
此,在高層建筑鋼結構設計規(guī)程中,均要求驗算人體舒適度。然而,高層鋼結構風振舒適度控制僅靠增加結構自身的水平剛度和阻尼是很不經(jīng)濟的、有時甚至是無法做到的。設置TMD/TLD來減小結構的風振加速度是高層鋼結構
的重要發(fā)展方向之一。
五、結論
高層建筑對風的動力作用較敏感,風振作用成為結構分析中不容忽視的因素,一般把風的動力效應通過風振系數(shù)轉(zhuǎn)化成結構的擬靜力計算,在此基礎上根據(jù)需要進行結構動力分析、 模型風洞實驗或?qū)ｉT計算校核等。高層建
筑受風荷載的影響效應和在抗風設計中風振系數(shù)、水平位移指標等參數(shù)的正確選取是高層建筑抗風設計的關鍵。同時主動和被動控制結構的風致振動效應也是當前抗風的主要措施。
