风控结构的抗风优化设计

风控结构的抗风优化设计

陈中华

广东省重工建筑设计院有限公司 广州 510000

摘要：

珠江三角洲地区因临海，基本风压较大，加上设防烈度普遍较低，故高层结构多为风荷载控制。本文以中山马鞍岛某高层建筑为例，重点研究场地的地面粗糙度与风气候的精细化设计。通过不同参数的模型计算，结果表明合理确定风荷载的设计参数，尤其是基本风压及地面粗糙度等参数，可以有效降低结构构件截面积，减少截面配筋，从而有效增加建筑实用率，更好实现建筑方案的设计意图。结构多遇地震下的结构响应，低于风荷载作用下的结构响应，结构的层间位移角等指标均满足设计规范要求。

关键词：风控结构；地面粗糙度；基本风压；方向系数；优化设计

1.工程概况

本项目位于中山市翠亨新区马鞍岛西四围，项目总占地面积约6万平方米，总建筑面积156235平方米，由10栋建筑高度79.8米~99.6米的高层住宅组成，整体一层、局部两层地下室，如图1.1所示。本项目周边场地情况较为简单，北侧紧邻西四围水道，南邻市政路，东西两侧均为在建工地，如图1.2所示。设计初期，按《建筑结构荷载规范》规定，地面粗糙度初步取为A类，基本风压为0.8 。

经初步计算其中一栋99.6m高度塔楼发现，如按上述参数设置，剪力墙布置较多，且截面需加大，影响了实用率。故通过参考国标《建筑结构荷载规范》（以下简称国标荷载规范）及广东省标《建筑结构荷载规范》（以下简称省标荷载规范）中相关的条文及条文说明，对地面粗糙度及基本风压取值进行研究，根据研究结果对不同风荷载参数进行了比较。

2.基本风压分析

省标荷载规范里面给出了中山地区10年、50年、100年的基本风压，且附录中有中山地区基本风压的分布图，但是未提供不同方向的风压分布系数。根据省标荷载规范的相关条文及说明，基本风压的取值并未考虑不同方向风压存在差异的影响，统一按最大数据取值，这样的话在非风压最大方向存在风压的人为放大。

因为国标及省标的荷载规范里面的基本风压没有考虑最大风速的方向影响，一定程度上高估了风荷载的作用，所以按规范条文解释，可以将基本风压与方向性系数相乘后的数据用于结构设计不同方向的基本风压，并分别计算。取得项目所在地的风速分布，获取各个方向上的原始风速记录资料数据对抗风设计中的风速和风向进行正确的统计分析显得尤为重要。

通过查阅中山市气象局的历史气象数据记录，同时考虑到随着城市的建设发展，气象观测点周边的各种新建建筑会对气象站的数据记录仪的风速数据产生或多或少的影响。为了减少该影响，对历史记录的气象数据进行了分析整理，剔除了明显失真的风速数据，并剔除了部分极值数据。基于以上原则对中山市马鞍岛地区的历史风速数据进行了整理分类。

通过对历史数据中不同风压下单独风暴个数的统计，采用蒙特卡洛模拟法对各数据进行统计分析，便得到了如图2.1所示的马鞍岛地区不同风向角对应的风压方向性系数。表2.1为各风压方向系数数值。

表2.1 马鞍岛地区风压方向系数

图2.1 风速与风压方向性系数分布图

通过分析表2.1的数据，可知在结构主轴即正南向的四个主风向上，风荷载计算中的基本风压可以考虑采用0.70~0.75的基本风压，且该数据满足省标荷载规范附件中对中山马鞍岛地区基本风压的要求。

3.地面粗糙度的选取

中山马鞍岛地区属于深中通道桥头堡，近年来建设发展速度很快，逐渐改变了原始地貌，如简单按规范条文中的规定则取为A类无疑。但是为考虑新建建筑对地面粗糙度的影响，根据省标荷载规范中的条文说明，地面粗糙度可以拟建建筑结构为中心，2KM为半径的迎风半圆影响范围内的建筑及构筑物密集度来区分粗糙度类别，风向以该地区最大风向为准，但也可取其主导风向。

为准确计算出拟建建筑场地上空的粗糙度特性，按省标荷载规范的计算方法，将本项目2KM范围内的建筑进行统计，并按主风向即正南向为主轴划分为4个扇区，主轴平分每个扇区，扇区划分如图3.1所示。

图3.1 拟建场地扇区划分

统计每个扇区内构筑物的建筑密度及对应的地面粗糙度见表3.1。

表3.1 建筑密度与地面粗糙度划分

从上表数据可知，除扇区4因为毫无遮挡建筑密度为0，地面粗糙度按规范条文要求应为A类，其他几个扇区均可定义为B类。而拟建建筑的场地主风向为正南向，即扇区1、3对应的方向，可知按荷载规范条文说明，本场地地面粗糙度可定为B类。

4.抗风优化设计

中山马鞍岛地区抗震设防烈度为7度，基本风压0.70以上，经过初步计算可知该场地内高层建筑属于风控结构，故对风荷载参数进行合理取值对于结构设计有着比较重要的影响。通过精确计算，将基本风压取值由0.80降低为0.75，将地面粗糙度由A类修改为B类，对比两组参数下对应结构的基底反力见表4.1 。

表4.1 优化前与优化后基底反力比较

为了比较本项目风荷载与地震作用对结构的影响，对多遇地震作用下的基底反力与风荷载作用的的基底反力进行对比，对比结果见表4.2 。根据表中数据，可知本项目高层结构在多遇地震作用下的基底反力明显小于风荷载作用下的基底反力，结构为风荷载控制。

表4.2 多遇地震与风荷载作用下基底反力比较

5.优化前后经济性比较

根据上述分析，选取本项目一栋高层结构分别按优化前参数及优化后参数进行精确计算，在计算结果满足相关规范要求并已保留相同富裕度的前提下，同时适当考虑施工图绘制时配筋放大，计算结果见表5.1，其中面积为地上部分结构面积。

表5.1塔楼风荷载参数优化前后经济性对比

从上表数据可知，通过优化风荷载基本风压及地面粗糙度，可以有效降低工程的土建成本，取得良好的经济效益。

同时，通过优化风荷载参数，可以减少结构的抗侧力构件的截面面积，提高了建筑的实用率。统计优化前后结构的竖向构件面积如表5.2所示。从表中数据可知，优化后结构竖向构件面积占比降低，从而提高了实用率。

表5.2优化前后标准层竖向构件截面积比较

6.结论

（1）对于珠三角区域风压较大的区域，由于荷载规范并未对基本风压及地面粗糙度精细分类，而是统一按照取最大值原则进行处理，这就给风控结构的抗风优化设计提供了条件。通过收集拟建场地的历史气象数据记录，可以对基本风压取值进行分析，从而合理取值降低基本风压；同时，对于拟建场地周边的构筑物密度进行统计，通过计算构筑物密度，对主风向的地面粗糙度进行合理分类，从而降低风荷载，减少土建成本。

（2）通过对风荷载参数的优化，可以有效减少结构的基底反力，从而降低结构的竖向构件的截面积，有效提高建筑的实用率。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范：GB 50009-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012

[2]建筑结构荷载规范：DBJ 15-101-2014.北京：中国建筑工业出版社/中国城市出版社，2014

[3]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011