大跨度结构的抗风设计

沈海波

摘要：大跨度结构设计中风荷载是控制荷载之一。由于其在风荷载和结构特性方面的复杂性，至今还没有建立像高层建筑那样有效的风荷载分析方法。本文回顾总结国内外大跨度结构抗风设计方法，并指出其存在的不足，进一步分析这种结构的破坏形式及有关的抗风措施。

关键字：风荷载，风压分布， 风振响应 ，风洞试验 ，抗风措施

Abstract: the big span structure design stroke is one of the load load control. For the wind load and structure characteristics of complexity, so far no set up like that effective high-rise building wind load analysis method. This paper reviewed and summarized up big span structure wind design method, and points out the existing problems and further analyses the structure, the destroy form of wind resistance and relevant measures.

Key word: wind loading, wind pressure distributions, wind vibration response, wind tunnel test, wind measures

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1. 引言

借着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的契机，在中国掀起了一股修建大跨度体育馆（场）的热潮，出现了像“鸟巢”、“水立方”等跨度大、建筑新颖、结构复杂的建筑物。DavenPort[1]曾经说过，如果没有风，结构尤其是大型结构的设计将会容易很多，造价也会低很多。这些大跨度结构受力复杂，质量较轻、阻尼较小，处于湍流度高的低矮大气边界层中，其风致动力响应较为明显，很多时候已经不能单纯地依据规范进行设计，特别是这些结构的抗风设计几乎是无据可依。这时，大跨度空间结构的抗风设计成为衡量结构师水平的一个重要标志。

2大跨度结构抗风设计基本方法

建筑结构的抗风研究是个系统工程[2]，在大跨度结构的抗风研究中，风工程研究人员的主要任务就是从外形迥异的建筑形式中归纳出结构表面风压分布的规律，解释风压分布的机理，通过结构风致响应的分析获得等效静风荷载。

图2.1结构抗风研究的主要流程

但是由于人们对建筑造型美观的要求越来越高，屋面结构的抗风性能好与造型优美形式，常常不能统一。大跨度屋盖结构的风荷载研究遇到的瓶颈[2]是，一方面结构工程师需要在设计时对建筑的荷载和风效应有全面的了解，取得建筑形式和建筑成本的最优结合点，另一方面优化建筑方案时不断变化的外形参数给结构的风荷载带来了很大的不确定性。一个最佳的解决方案是，建立不同结构特征包括结构动力特性和外形参数的对应风荷载数据库，设计师在结构方案调整中可以方便的获得结构风效应的全部信息。但是，对于具体的大跨度屋盖结构而言，由于体型新颖各异，建筑结构的参数变化多端，再加上建筑所处风场的不同，这种设想显然是不可能实现的。所以，只能根据对具体的大跨度屋盖结构风效应的分析，需要深入研究大跨度屋盖结构的风荷载分布和结构风致振动特性，总结其共性的规律，规范其抗风设计方法。

我国目前对房屋建筑的抗震设计采用三水准设防的原则，即采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计思想。将此抗震设计思想延用到大跨度屋盖结构的抗风设计，可以概括为“常遇风压不坏，偶遇风压可修，罕遇风压不倒”的三水准设防原则[4]。

（1）第一阶段设计

采用第一水准风压，即常遇风压Wd，计算结构在弹性状态下的风荷载效应，然后与地震、重力等其他荷载效应组合，进行构件截面设计，使其满足常遇风压下的强度要求。这一阶段的设计，对应于结构的正常使用极限状态，用以满足第一水准的抗风设防要求。

（2）第二阶段设计

采用第二水准风压，即偶遇风压Wf，计算结构的变形，裂缝宽度，使其不超过规范所规定的限值，同时通过概念设计的方法，优化结构截面尺寸和形状，确定合理的结构布置和构造措施，保证结构具有足够的变形能力，使其满足偶遇风压下的变形要求。

（3）第三阶段设计

采用第三水准风压，即罕遇风压We，计算结构各部位连接处的强度，并计算结构主体的变形、裂缝宽度，使其离结构倒塌时的临界限值有一段距离，同时，对结构采取必要的预前临时加固措施(如斜撑、拉索、屋顶加压构件等)，保证主体结构的弹塑性被控制在某一限度内，使其满足在罕遇风压下不倒塌的要求。这一阶段的设计，对应于结构的承载能力极限状态，用以满足第三水准的抗风设防要求。

大跨度屋盖结构的抗震分析己应用“三级设防、两阶段设计”，而抗风分析还停留在一级设防，一阶段设计的基础上。随着大跨度屋盖结构跨度的提高和风灾力学以及风工程研究的深入，“三水准设防，三阶段设计”的抗风分析是有可能获得广泛的应用前景。

3. 大跨度结构的风压分布研究

现行的规范（GB5009－2002）以现行荷载规范以公式和表格的形式量化了高层和高耸结构的惯性力风振系数，为工程计算提供参考。但是规范并没有为大跨度结构提供风振系数的参考公式，这时因为空间结构的形式多样性，很难做到统一。目前在空间结构的工程设计中，除了重大的工程，很多时候工程师是参照以往的经验值指定风振系数，具有很大的任意性。现在，设计师可以采取风洞试验、数值模拟风洞以及现场实测等多种手段来获得风压分布情况。

3.1 风洞试验

目前来说，运用风洞试验来预测复杂体型大跨度结构的风荷载分布特性，是一种比较直接、有效的研究手段，同时也得到工程界的广泛应用。根据试验目的的不同，风洞试验又分为刚性模型的测压试验研究和气动弹性模型试验研究两种。

3.2 数值风洞模拟

数值风洞方法在结构风工程研究和设计中具有极为广阔的发展前景。数值风洞指利用计算机模拟复杂结构表面及其周围的空气流场，经数值计算，获取结构形体表面的风压分布、风载体型系数和结构风振系数，为结构抗风设计提供坚实依据。数值风洞是多学科高度集成的产物，体现为综合集成创新。数值风洞模拟技术在大跨度屋盖结构上的应用，在国内己经有比较成功的例子。陈勇(2002)利用CFD软件，对上海虹口足球场悬挑屋盖上的风压力进行了模拟[6]，并研究了体育场内部流场的规律。顾明、杨伟(2004)对上海铁路南站屋盖上的平均风荷载进行了数值模拟[7]，并将CFD计算结果与风洞试验结果进行了比较，比较结果说明两者的数值很接近。汪丛军、黄本才等(2004)对越南国家体育场屋盖平均风压和周围风环境的影响做了数值模拟[8]，并与试验结果进行了比较，大体上吻合。

3.3 现场实测

现场实测一般利用风速仪、加速度计等仪器在现场对实际风环境及结构风响应进行测量，以获得风特性和结构响应的第一手资料，是风工程研究中一项非常重要的基础性工作。然而，现场实测也受到一些条件的限制，一是自然风变化不定，工作环境可能不安全，二是现场测试组织和安排比较复杂，耗时耗资大，试验成本高，三是实测数据的精度问题。由于现场实测存在这些限制条件，很多因素难以人为控制，因而在实际研究中较少应用，国内则未见报道，国外也仅对少量的大跨度屋盖结构进行了现场实测研究[9]。