【摘 要】提高建筑總體抗風(fēng)能力的概念設(shè)計(jì)。從對(duì)風(fēng)荷載的認(rèn)識(shí)出發(fā),分析風(fēng)荷載的危害,總結(jié)了高層建筑抗風(fēng)的概念設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu);風(fēng)荷載;高寬比;側(cè)移;風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)
1 引 言
高層建筑結(jié)構(gòu)除了抵抗豎向荷載之外,風(fēng)荷載和地震作用往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要影響因素,它們主要是水平荷載。風(fēng)作用出現(xiàn)的概率較大,而地震作用是偶然不經(jīng)常的水平和豎向荷載,大風(fēng)作用的時(shí)間較長,空氣流動(dòng)形成的風(fēng)遇到建筑物時(shí),就在建筑物表面產(chǎn)生壓力和吸力,這種風(fēng)力作用稱為風(fēng)荷載。風(fēng)的作用是不規(guī)則的,風(fēng)壓隨著風(fēng)速、風(fēng)向的紊亂變化而不停地改變。實(shí)際上,風(fēng)荷載是隨時(shí)間而波動(dòng)的動(dòng)力荷載。
2 風(fēng)荷載對(duì)建筑的影響
2.1 風(fēng)加速度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移
風(fēng)是紊亂的隨機(jī)現(xiàn)象,風(fēng)對(duì)建筑物的作用十分復(fù)雜,規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載值的確定適用于大多數(shù)體形較規(guī)則、高度不太大的單幢高層建筑。高度300M以下的高層建筑可按照荷載規(guī)范規(guī)定的方法計(jì)算風(fēng)荷載值,規(guī)范只要求用適當(dāng)加大風(fēng)荷載數(shù)值的方法考慮動(dòng)力效應(yīng),風(fēng)荷載仍然作為靜力荷載計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移,對(duì)于高度較大且比較柔軟的高層建筑,隨著高層建筑高度的不斷增加,風(fēng)作用效應(yīng)增大,位移增加最快(如圖1)因而引起的動(dòng)力效應(yīng)也不能忽視了。要考慮動(dòng)力效應(yīng)的影響,用經(jīng)驗(yàn)公式估算頂點(diǎn)加速度效應(yīng)。由于我國高層建筑的高度逐漸增大,規(guī)范和規(guī)程要求少數(shù)建筑(高度大、對(duì)風(fēng)荷載敏感或有特殊情況者)還要通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定風(fēng)荷載和風(fēng)的動(dòng)力反應(yīng),以補(bǔ)充規(guī)范的不足。
2.2 風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)剛度影響舒適度
高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中人們要求在50年或100年重現(xiàn)期的風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)仍然能正常使用,也就是要求結(jié)構(gòu)處于彈性和小位移狀態(tài),風(fēng)可以有一定的傾角在+10度到-10度內(nèi)變化,結(jié)構(gòu)除了受水平力外還有上下作用的豎向力。抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要是基于承載力的設(shè)計(jì),對(duì)于高度較高的高層建筑,還要保證2~10年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載作用下人處于舒適狀態(tài),因而需要計(jì)算風(fēng)作用下的加速度,當(dāng)建筑物加速度小于0.005g時(shí)人是沒有感覺的,當(dāng)大于0.015g時(shí)居住者就會(huì)感覺不舒適,在其間值時(shí)人輕微有感;按照10年一遇的風(fēng)荷載取值計(jì)算或?qū)iT風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究確定的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度不應(yīng)超過限值,對(duì)住宅、公寓最大加速度不大于0.15m/s2。對(duì)辦公樓、旅館則不大于0.25 m/s2.,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要原因是為滿足人的舒適度要求,一般情況下混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02時(shí)才能滿足人們的舒適度要求。當(dāng)大風(fēng)引起建筑物的加速度較大時(shí),容易引起維護(hù)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,只能通過安裝阻尼器或增加縱向結(jié)構(gòu)來提高其在水平力作用下的剛度。
3 概念設(shè)計(jì)
3.1 控制結(jié)構(gòu)高寬比
高層建筑不僅需要較大的承載力,而且需要較大的剛度,使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形通過樓層層間最大水平位移與層高的比值限制在一定范圍內(nèi),因?yàn)檫^大的側(cè)向變形會(huì)使人不舒服,影響使用。另外過大的側(cè)向變形會(huì)使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,甚至損壞。因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)高度選擇合理的結(jié)構(gòu)體系外,還要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和選擇建筑物的平面形狀、剖面和總體型。高層建筑中控制側(cè)向位移常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要矛盾。而且隨著高度的增加傾覆力矩也將迅速增大。因此建造寬度很小的建筑物是不適宜的。一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比H/B控制在一定數(shù)值內(nèi)比如剪力墻最大高寬比在5~7,抗震設(shè)防烈度9度時(shí)最大高寬比為4。
當(dāng)結(jié)構(gòu)高寬比較大、結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí),可能引起較明顯的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng),甚至出現(xiàn)橫風(fēng)向振動(dòng)效應(yīng)大于順風(fēng)向作用效應(yīng)的情況。結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)問題比較復(fù)雜,與結(jié)構(gòu)的平面形狀、豎向體型、高寬比、剛度、自振周期和風(fēng)速都有一定關(guān)系。對(duì)抗風(fēng)有利的平面形狀是簡(jiǎn)單規(guī)則的凸平面,如圓形、正多邊形,橢圓形、鼓形等平面。對(duì)抗風(fēng)不利的平面是有較多凹凸的復(fù)雜形狀平面,如V形、Y形、H形、弧形等平面。當(dāng)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜時(shí),宜通過空氣彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)確定橫風(fēng)向振動(dòng)的等效風(fēng)荷載;
3.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)檢測(cè)復(fù)雜建筑風(fēng)荷載
當(dāng)房屋高度大于200m或有下列情況之一時(shí),宜進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)判斷確定建筑物的風(fēng)荷載:
a) 平面形狀或立面形狀復(fù)雜;
b) 立面開洞或連體建筑;
c) 周圍地形和環(huán)境較復(fù)雜。
風(fēng)荷載的影響因素復(fù)雜,需要研究的問題很多,而且規(guī)范條文也難以概括,風(fēng)洞試驗(yàn)是一種有效的測(cè)量大氣邊界層范圍內(nèi)風(fēng)對(duì)建筑物作用和獲得風(fēng)動(dòng)力反應(yīng)的手段。風(fēng)洞試驗(yàn)可以測(cè)得較高高層造成的較強(qiáng)的地面風(fēng)以及多個(gè)高層建筑之間因群體效應(yīng)造成的風(fēng)通道的有效數(shù)值。
國內(nèi)外對(duì)對(duì)高層建筑進(jìn)行的一些風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)荷載沿建筑物高度的分布規(guī)律與規(guī)范給出的分布規(guī)律往往有所不同,在建筑物的2/3~3/4高度以上,風(fēng)壓力可能減小,由此計(jì)算風(fēng)荷載作用下的側(cè)移和內(nèi)力都會(huì)減小,這將大大影響設(shè)計(jì)的結(jié)果。另外通過研究和對(duì)一些超高層建筑物頂部實(shí)測(cè)風(fēng)速的研究結(jié)論是建筑物頂部風(fēng)速小于規(guī)范給定值。
3.3 群高層建筑的風(fēng)干擾
此外對(duì)城市中成片地興建高層建筑,使建筑物之間風(fēng)的相互干擾問題日漸突出。尤其是高層建筑群,當(dāng)房屋相互間距較近時(shí),由于漩渦的相互干擾,房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予注意。
4 結(jié) 論
高層建筑在風(fēng)荷載下設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意建筑物自身的高寬比、采用合理的平面及規(guī)則的立面形狀、控制水平荷載作用下的側(cè)移以及為減小裙樓效應(yīng)而采用合理的樓間距。
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