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平面不规则高层建筑结构受力响应分析

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【摘要】风载荷是高层建筑的主要动荷载之一,在城市化高速发展的背景下,城市建筑逐渐向高层建筑方向发展,且高层建筑呈现逐年上升的趋势,风载荷随着建筑高度的增加显得更加重要,尤其是对一些平面不规则的高层建筑结构,风载荷起到决定性的作用。那么在高层建筑结构受力设计环节中,就应该合理的进行结构抗风设计,这样才能最大化确保高层建筑结构满足设计要求。

【关键词】高层建筑;风载荷;结构受力;抗风设计

一、高层建筑结构的发展状况

1.高层建筑兴起的原因。产业革命的兴起促进了社会经济的发展,人口向城市内集中,导致城市用地紧张。从城市建设角度看,建筑物向高层方向发展,能够有效节约城市建设投资。建筑向高层方向发展,能够有效缩短人与人之间的距离,减少人在地面上的活动率,提高人的工作效率。从建筑面积来看,高层建筑能够为人类活动提供更多的自由空间,对人们的休闲和城市的绿化具有积极作用。除此之外还有科学技术的发展和经济的发展促进了高层建筑的兴起。2.高层建筑结构设计的特点。高层建筑的荷载主要是由水平载荷决定,而低层建筑的载荷是由竖向载荷决定,所以载荷成为高层建筑结构设计的决定性因素,在高层建筑结构中,随着高度的增加,水平荷载影响越大。在高层建筑结构中,侧移控制主要是为了保障结构的舒适性和使用性,更是为了保障高层建筑结构的安全性。而对于低层房屋结构来说,结构控制只需要考虑弯曲变形,注重的竖向位移。在高层建筑结构设计中,最需要考虑的问题就是地震动力响应和风振,结构的动力对高层建筑结构的荷载影响较大,主要是地震和风作用比较复杂,在结构设计时必须要进行综合的分析,同时也是高层建筑结构动力响应设计的一大难题。通常情况下高层建筑结构在设计时,应当选择性能良好的材料,材质轻、性能高强,这样可以大大减少重力荷载,还能节约建筑施工成本,另外轻质材料的使用可以大大降低建筑结构的质量,从而减少结构动力荷载。在高层建筑结构设计中,首先在空间设计上要满足实际应用的需求,那么建筑结构的体系必须要具有抗侧能力,其高度不同结构体系也不同,促使抗侧力结构成为高层建筑结构设计的重要因素。

二、风对建筑结构的作用以及结构抗风设计的要求

风在空气中流动时,若没有阻挡物,气流比较平稳,一旦受到建筑物的阻挡,就会形成高压气幕。气流速度越大,对建筑物的影响就越大。在建筑结构设计计算时,必须要根据风压和风速进行计算,不同的风速有不同的风压。从我国的《建筑结构载荷规范》中可以看出风荷载按照Wk=βzμzμsW0,其中基本风压为W0,风压高度变化系数为μs,风荷载体型系数为μz,高度处的风振系数为βz,风荷载标准值为Wk。我们生活中常见的风主要是地面流动的风,同样作用在建筑物上的风也是如此。地面上的风会受到流经地区的地貌和地形影响,以及风自身的变化,导致仅地面上的风作用在建筑物上呈现出紊乱性和随机性的特点。一般情况下近地风风味脉动风和平均风,这两种风对建筑结构受力影响最大的就是脉动风,那么在结构设计时必须要考虑到动力的作用。风对建筑物结构的作用会产生振动,主原因是脉动风会引发结构物的顺风向振动,在结构物逆风向会产生横风向振动,同时空气受阻尼还会引发建筑物产生横向失稳式振动。风效应对建筑结构的影响主要包括四个方面:平均风静力效应、脉动风振效应、旋涡干扰风振效应、自激振动效应等。

三、高层建筑结构抗风设计理论

1.基于性能的结构抗风设计理论。高层建筑结构不同于低层建筑结构,具有较大的高宽比,同时抗侧刚度比较小,在长期应用过程中会受到风荷载和地震作用的影响,从而影响到建筑物的质量问题和受用寿命,所以在高层建筑抗风设计时需要充分考虑到这两个影响因素。在风荷载和地震作用中,对高层建筑影响最大的就是风荷载,同时也是高层建筑结构受力所需重点解决的问题。在高层建筑结构受力响应中,建筑结构的性能是必须要考虑的一个问题,尤其是平面不规则高层建筑,在抗风设计时需要针对不同强度的水平风振,实现对高层建筑结构的有效控制,确保高层建筑结构的舒适性和安全性。保证高层建筑结构在使用寿命周期内,能够达到抗风的目的。2.结构风振性能水准。在高等教育事业中,结构工程专业中对风振系数有着详细的了解,且是风荷载计算的一个重要系数,通常情况下风振系数越大,风荷载值就越大。在高层建筑结构中,侧向力对高层建筑结构受力相应最大,必须要有个合理的振动值,一旦振动值超过人的舒适性,就会产生不舒服的感觉,一般情况下舒服的感觉分为六个等级,从重到轻分别是无法忍受、非常烦恼、烦恼、中等振感、轻微振感和无振感。高层建筑结构受力的性能水准,就是指在建筑物如果遭受到某种风的作用,那么建筑物能够允许的最大破坏度和最大容许舒适度。所以高层建筑结构受力需要从变形和舒适度两个方面确认最终的性能水准。3.结构性能目标。在高层建筑结构受力设计中,通常情况下都会对建筑物模型进行试验,通过设计风压等级的方式来确认整个高层建筑结构是否能够满足性能水准的总和,在设计时需充分考虑到功能需求和使用要求。4.结构抗风计算。在基于风荷载作用下的平面不规则高层建筑结构受力计算中,需要满足四个方面的要求,首先是计算方法必须要容易掌握且具有较强的适用性,这样不仅可以减少计算量,还能确保模拟过程的顺利性,并高度重视模拟工作。其次是按照不一样的性能目标进行计算,计算后并选择具有实用性的分析方法。然后在选择计算方法时,必须要同时分析风振的动力时程,并计算模拟风场。另外在模型分析时,需要充分考量非线性恢复力特征,并充分考量结构的线性。风洞试验是高层建筑结构受力响应研究必不可少的一个环节,主要目的是对大气边界层风对建筑物结构受力情况进行测量。由于高层建筑物很容易产生较强的地面风,且这种地面风的破坏力比较大。如果此时的高层建筑物比较密集,那么在高层建筑物之间形成一个强大的风洞,并加大风荷载对高层建筑结构的作用。

四、高层建筑结构在风荷载作用响应研究

1.结构风工程研究方法。根据高层建筑结构抗风设计理论可以看出,结构风工程的研究方式主要是根据实际情况采取对应的研究方式,一般情况下分为三种情况:模拟方法在高层建筑结构受力响应研究中是一种比较常用的研究方法,通过计算机和实验室进行模拟,最终得到风荷载对高层建筑结构受力的影响,包括风洞模拟和数值模拟。理论计算在土工工程专业中,是教学的重点,更是学术研究的重点,理论研究包括频域法和时域法,频域法主要以随机振动理论为主,通过建立直接关系进行计算;时域法是直接动力法,直接投入计算公式计算。实地考察主要是应用相应的设备仪器进行实地测量,测量内容包括风速、风荷载的加速度、风压,最后将所有数据进行整理,并计算出风荷载振动响应数据。2.风荷载研究方法。在高层结构风荷载研究中,主要研究是近地面空气流动所产生的风荷载,由于近地面风没有规律性,需要根据实际情况具体分析。按照风向可以分为扭转风向、逆风向和顺风向,在顺风向同样需要根据具体情况具体分析,分为平均风和脉动风,平均风对建筑结构产生静力荷载,高度越高对结构响应力就越高。脉动风属于动力性风,主要受到振动内力、位移和加速度的影响。目前对横向风和扭转风险研究较少。结语综上所述,在高层建筑结构设计中,由于受到规划布置、外观设计和功能特性等要求,最终导致建筑结构呈现出平面不规则现象。平面不规则在受风荷载作用的影响,会使整个高层建筑结构受力发生整体的变化,在各个不规则交接的地区产生变形集中和应力集中的现象。对于平面不规则高层建筑结构受力设计而言,不仅工作量大,同时也增加了设计师的挑战性,所以在设计过程中,必须要充分结合实际情况,同时应用各种理论,这样的设计才能最大化保证平面不规则高层建筑结构的舒适性、稳定性和安全性。

【参考文献】

[1]祝志文,王钦华.《建筑结构荷载规范》修订后的超高层建筑平均风荷载比较研究[J].钢结构,2019,34(8):67-73.

[2]王刚.关于对高层建筑结构设计过程中风荷载规范计算方法的讨论[J].建筑工程技术与设计,2019,(17):1648.

[3]左太辉,李庆祥,黄啟明.CAARC标准高层建筑模型表面风荷载的数值模拟研究[J].广东土木与建筑,2018,25(12):1-8,16.

[4]楚晨晖,王浩.超高层建筑复杂塔冠结构的风压分布与等效风荷载[J].黑龙江科技大学学报,2018,28(4):471-477.

[5]王浩,柯世堂.基于风洞试验超高层多塔连体建筑风致响应及等效静风荷载研究[J].建筑结构,2018,48(21):103-108.

作者:应淳羽 单位:延安大学

平面不规则高层建筑结构受力响应分析责任编辑:张雨    阅读:人次
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