超高层建筑的抗风措施分析

超高层建筑的抗风措施分析

谢琳

重庆交通大学 土木工程学院  重庆 400074

摘要:超高层建筑适应于现代化城市发展。随着建筑高度的增加，以风荷载为主的侧向水平作用及其侧向位移也不断增加。抗风能力成为超高层建筑在设计安全和使用性能方面的关键因素和重要指标。本文主要从空气动力学优化以及耗能减震体系两方面介绍超高层建筑抗风措施，并以上海中心大厦作为实例进行分析。

关键词：超高层建筑；抗风；空气动力学；阻尼器

随现代化城市进程发展，过大的人口密度和建筑密度使得城市用地日趋紧张，人们不得不向上寻求更舒适合理的生存发展空间。在中国《民用建筑设计通则》GB50352—2005规定：建筑高度超过100m时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。在世界超高层建筑学会新标准中，高度达到300m以上为超高层建筑。超高层建筑占地面积少、建筑面积大、集中化程度高的特点非常适应于现代城市发展。

然而，随着建筑的高度不断增加，使得结构对风荷载为主的侧向水平荷载作用更加敏感，并产生更大的侧向位移，这就要求超高层建筑需要较大的承载能力和较大的刚度，使侧向变形限制在一定的范围内。超高层建筑的抗风能力成为结构设计安全和使用性能的关键因素和重要指标。

1  超高层建筑抗风设计要求

超高层建筑抗风设计要求主要包括以下三个方面:

（1）强度设计的要求，构件在主要包括风荷载的侧向荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足相应的强度设计的要求。确保建筑物在风力等荷载的作用下不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏和严重损伤。

（2）刚度设计的要求，以防止建筑物在各类风力作用下产生过大的变形，引起隔墙的开裂、建筑装饰和非结构构件损坏，同时也要防止建筑结构本身由于风力作用被造成破坏。

（3）舒适度设计的要求，以防止在使用过程中建筑内人员对风力作用下引起结构动力响应及楼体摆动造成生理及心理的不适，保证建筑功能的适用性、舒适度。

2  超高层建筑抗风设计措施

2.1 空气动力学优化

超高层建筑按体型高度可以大致分成3个级别：350m以下的超高层建筑的断面形状相对灵活多样，一般不必进行专门的抗风优化设计，但要适当控制结构高宽比和长宽比；350~600m高层建筑的标准层平面形状可选择有利于抗风的近似方形，结构顶部应进行适当气动优化；600 m以上的超高层建筑在截面形状和沿高度的外部形态上都应采取强有力高效的空气动力学优化方案。

超高层建筑空气动力学优化的一般策略包括减低横向风激励的大小和减低横向风激励的相关性两个方面。通过对超高层建筑外观的楼角柔化、立面开孔等方法进行截面优化，能够降低横向风激励的大小；通过对超高层建筑形态沿高度收缩、扭转、变截面等方法，能够减低横向风激励的相关性。也就是说，通过在建筑形态上设置圆弧倒角、扰流翼、立面开洞或改变建筑沿高度方向的截面形状等方法，能够相应的减小涡激振动在高层建筑高度方向的一致性，减小建筑横风向风荷载。从而能够降低横风向风荷载引起过于明显的结构振动对超高层建筑造成不利损伤或破坏的风险。此外，在空气动力学优化方案选用时还应满足“综合考虑、平衡利弊”的空气动力学优化的基本原则。

2.2 耗能减震体系

耗能减震体系适用于高层建筑、超高层建筑和高耸构筑物，在性能上安全可靠，能够对结构进行有效抗震和抗风。

耗能减震装置主要包括金属耗能器、摩擦耗能器、粘弹性耗能器、粘滞耗能器等，以及具有多种耗能机制的复合耗能器。

耗能减震技术是把结构物中的某些构件设计成耗能部件或在结构物的某些部位设置阻尼器。使自由振动衰减的各种摩擦或其他阻碍作用，我们称之为阻尼；运动阻力、耗减运动能量的装置称为阻尼器。阻尼器能够结合结构的动力性能，巧妙的减少地震、风力等侧向荷载对超高层建筑带来的影响和破坏。在小荷载作用下，耗能组件和阻尼器能处于弹性状态；在强烈地震或风荷载作用下，耗能装置则进入非弹性状态，大量消耗输入结构的能量从而保护主体结构不受破坏。

高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响产生振动，使人们在建筑内感到不舒服，影响建筑适用性。高层建筑钢结构的刚度相对较小，人体舒适度问题更为严重。因此在高层建筑钢结构设计规程中，均要求验算人体舒适度。设置质量共振阻尼系统(TMD)或协调液体阻尼器(TLD)来减小结构的风振加速度已经走向了工程实际，成为减少结构振动不可少的重要保护措施，也是高层建筑结构的重要发展方向之一。

3  实例分析：上海中心大厦

上海中心大厦位于上海浦东陆家嘴金融区。主体建筑结构高度580m，塔冠最高点632m。

在空气动力学优化方面，上海中心大厦建筑采用了圆弧倒角、契形立面、截面变化三种形态优化方法。该建筑立面形态最重要的特征是建筑沿高度的扭转角、建筑朝向和建筑沿高度方向缩进的比例。试验表明：随着建筑沿高度扭转角的增加，风荷载不断减小。最终采用扭转角120°方案，与参照相比（图1）最终设计方案的风荷载降低约60%。

图1立面形态

方案比对

通过空气动力学优化方案对结构参数的调整，有效减少了结构的风振响应。但对于上海中心大厦这样结构水平振动频率小于2Hz的超高层建筑，参考日本建筑学会提出的建筑物振动对居住品质评价的指导准则，大楼顶部区域约30%的人在一定情况下将感受到楼体的振动，舒适度难以保证。

基于对超高层建筑设计对于人体舒适度的要求，为减小各楼层的加速度响应以及减小脉动风引起的侧向位移。上海中心大厦在耗能减震体系设置中，首次采用了电涡流调谐质量阻尼器：“上海慧眼”（图2）。

图2  上海中心大厦TMD设计方案

“上海慧眼”位于大厦125层，由配重物和吊索构成，类似巨型复摆。是重达1000吨、目前世界上质量最大的风阻尼器，由12根长达25米的钢索吊在大厦内部约125层的高度处。这也是我国的一项创新技术，能够将风荷载作用在楼体的机械能通过一系列途径最终转化为热能消散，保证了大楼的安全稳定性及人员的舒适性。

该质量共振阻尼系统(TMD)各个分系统协调保证了整个阻尼器减小大厦对风荷载的加速度响应及侧向位移的有效作用。

设置阻尼器能够有效减小各楼层的加速度响应，显著提高建筑舒适度，减小脉动风引起的位移，有效降低小震时的结构响应，较适用于强风和小震等外源性荷载为主地区的超高层建筑。

4  结 语

对超高层建筑截面及形态进行空气动力学优化设计、设置耗能减震体系，以及多种抵抗不利影响的措施方法共同作用、协调发展，来提高结构的抗风能力及其安全性、稳定性和舒适度，是高度在300m以上的超高层建筑结构设计的重要发展方向。

参考文献：

[1]赵昕,丁洁民，孙华华，巢斯.上海中心大厦结构抗风设计[J]. 结构工程学报.2011，32（7）.001.

[2]宋伟宁，徐斌.上海中心大厦新型阻尼器效能与安全研究[J]. 建筑结构.2016，46（1）.50-81.