建筑结构抗风基本理论分析

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摘要:风灾在中国屡见不鲜，其产生的影响对人类的生存和发展存在巨大的影响，特别是我国临海地区，比如福建、海南、广东等地，台风造成的经济损失严重。从对建筑的影响出发，风灾主要体现在对于建筑结构发生部分损坏或整体倒塌，特别针对现在高层建筑不断涌现增加，对于抗风设计的研究是十分必要的，首先强调风对建筑物的作用及其危害，随后对抗风理论进行研究分析。

关键词:风灾，建筑结构，抗风理论

风是一种自然现象，是相对于静止的地面由于大气温度不均匀分布产生的一种运动。在我们日常生活中，常被提到的有台风、龙卷风以及热带气旋。中国在全世界范围之内属于风灾发生频繁的国度之一，经常风起东南沿海地带，逐渐向内地发展延伸，已发生的风灾对于人民的经济产生巨大的损失，通过台风活动的数据统计分析［1］，发现北太平洋的台风数量和能量急剧增长，会增加台风发生的次数以及强度，其给我们的启示要加强抗风理论的研究，特别是建筑结构的抗风理论研究。

1建筑结构风荷载对于建筑物的影响

1．1建筑结构风荷载对于建筑产生振动原因分析。1)一个地区的风向是一定的，在外界条件不发生变化时，是不会发生较大变化的，这种风结构包括平均风和脉动风，其中脉动风的发生主要体现在对建筑结构产生顺风向振动，这种振动要在结构设计中特别考虑。2)建筑结构背后存在的漩涡也会引起结构的振动，方向与风向垂直，尤其建筑结构背后附属建筑烟囱、高层建筑等细长柱体结构。3)受其他建筑物尾流影响而产生的振动。4)由空气负阻尼引起横向失稳式振动［2］。1．2建筑结构风荷载后果分析。1)结构物或者建筑结构构件发生过大的挠度或变形，使得外墙、外装修材料发生损坏;2)风荷载对建筑物产生的振动会使得建筑受到疲劳破坏，严重影响建筑结构的使用功能;3)气动力会随着建筑结构气动弹性的影响逐渐增大;4)风荷载动力的不断增大，导致受力增大，影响人类的居住舒适度。

2抗风基本理论

2．1基本概念。建筑结构面直接承受风荷载作用，其可能产生的结果效应，是在结构设计中必须要考虑的因素之一，根据风压荷载作用面积进行分类，具体可以将风荷载效应分为以下几类:1)顺风向效应;2)横风向效应及共振效应;3)空气动力失稳。2．1．1风速分压的影响。不可压缩的流体指的是在运动过程中密度不发生变化或者是变化很小的流体，理论分析时将低速运动的空气可作为不可压缩的流体看待，其满足的伯努利方程是:w=12ρv2。其中，w为单位面积上的风压力;ρ为低速运动的空气密度;v为自由气流的风速。2．1．2基本风速和基本风压基本风速和基本风压一般需要满足6个条件，分别是标准高度的规定(以10m为标准高度);地貌的规定(空旷平坦地貌);平均风速的时距(10min作为取值标准);最大风速的样本(年最大风速);最大风速的重现期(取大于年平均值很多的某个值来进行抗风设计);最大风速的线性(极值Ⅰ型分布曲线描述)。2．1．3风剖面和风压高度变化系数。现实生活中，不同高度下的风速是不同的，必须掌握不同高度下风速才能准确衡量风荷载的大小，才能设计合理，满足建筑需求，平均风速沿高度的变化规律，称为平均风速梯度，即风剖面。风压高度变化系数即是通过风速沿高度的变化规律和不同地面的粗糙程度确定的风压高度变化率。2．2随机振动理论基础。在建筑结构正常使用阶段，各种荷载作用下，产生的变化也在不断的发生变化，可能在不同的时间段产生的同一类荷载的波形也是不同的，我们称这种荷载为随机荷载。随机荷载确定后，可以得知不同时间段的荷载波形是不同的，所以在设计时不能根据已经发生的风荷载进行全部预测做抗风设计，可能会使结构出现严重的损害情况，不能保证结构的绝对安全，因此随机荷载下的抗风设计应该采用统计学或者是概率论的方式进行分析。2．3结构抗风分析计算和风荷载公式。对于不同振型的建筑结构风荷载影响会有对应的等效荷载响应，一般按照实际经验进行测算，高层建筑以及高耸结构属于悬臂结构类型，抗风分析中按照第1振型进行计算。但是实际中抗风分析中单单考虑一种振型得到的结果是片面的，一般取主要考虑因素的时候，才按照单一振型进行分析。还有全动力计算方法，该类计算方法主要是针对风或者是脉动风作为主要输入因素，按照随机振动理论直接进行计算求出响应方法，是一种较为常用的方法，根据工程实际需求，由随机振动理论进行求解相应的参数。若是不考虑风振，则风中只包含平均风，考虑的主要因素是瞬时风速以及风压对于脉动风的增值影响作用，可以利用等效荷载响应方法进行求解。此外，在风速达到某一临界值时，会产生空气动力失稳现象，风荷载运动会被无限放大，因此在设计时，要特别注意风速临界值的界定，以免实际结构发生空气动力失稳。2．4荷载效应组合。不同荷载条件下的结构可靠性指标的差异可以用分项系数进行区分，其中永久荷载和可变荷载分别乘以不同的系数进行计算荷载，当结构上施加两种及以上的荷载时，要选取标准值进行计算，因为不同荷载在同一时刻达到荷载的最大值，这种发生的概率偏小，取其标准值比较合理，通过荷载系数可以得出结果荷载的设计值。2．5风荷载作用下的受力变形特点。低层建筑结构，通常取其重力作为竖向荷载的设计控制值(非地震区域)，但是建筑层数的不断增大，水平荷载不断增大，逐渐在荷载设计中占据主导，会成为结构设计的主要控制因素，起决定性作用。高层建筑结构的高与宽的比值较大，轴向变形对于结构的总侧移变化产生较大的影响，会使得整个框架结构呈现整体弯曲变形。

3风荷载作用下荷载效应的分析

当混凝土受到拉力和压力同时作用时，会随着荷载产生不同的应力，而且不同荷载产生的应力也是不同的，差异较大，弹性变形和塑性变形同时存在，随着荷载作用的不断增大，也会使得结构达到其强度极限值，应力开始下降，产生裂缝，这个过程不是简单的线性变化，比较复杂。在实际工程中，针对不同的应力变化有不同的应对之策，从实际发生的裂缝方向出发，进行结构设计分析，通过理论以及计算机模拟预测结构的发展方向，以及可能出现的结果，便于更加合理的制定策略，一些常用的分析方法有:试验分析法;非线性分析方法;塑性极限分析方法;线弹性分析方法以及塑性内力重分布分析方法。对于高层结构，水平荷载的作用较为主要，一般的计算荷载效应的方法有反弯点法、D值法，随着计算机的高速发展，普遍被大众认同的计算方法是有限元法，即矩阵位移法，实现了计算机和结构内力计算的有机结合。

参考文献:

［1］曾加东．矩形高层建筑脉动风荷载空间相关性及结构风振响应研究［D］．成都:西南交通大学，2017．

［2］韩君．低矮建筑围护结构风荷载标准值的规范对比［D］．北京:北京交通大学，2017．

［3］刘敏．基于概率的建筑结构风荷载效应评估及抗风可靠性研究［D］．北京:北京交通大学，2017．

［4］赵建隽．风荷载作用下建筑结构动力响应研究［D］．邯郸:河北工程大学，2017．

［5］郑星辰．考虑风向影响的建筑结构风荷载评估与抗风设计［D］．北京:北京交通大学，2016．

［6］章李刚．大型复杂建筑结构风致效应及等效静力风荷载研究［D］．杭州:浙江大学，2013．

［7］曲文超．高层建筑结构风荷载数值模拟研究［D］．天津:天津大学，2010．

［8］孙振．建筑结构风荷载的计算机模拟与分析［D］．南京:南京航空航天大学，2007．

作者:史明祥 单位:山西省建筑科学研究院