高层建筑风荷载及抗风设计[1]

第07卷 第10期 中 国 水 运 Vol.7 No.10
2007年 10月 China Water Transport October 2007

高层建筑风荷载及抗风设计


蔡志波

摘 要：随着轻质高强新型建筑材料的不断涌现，高层建筑不但建筑形式变化多样，而且结构体型也朝着高大、轻
柔的方向发展。故风对高层建筑的影响越来越大。所以必须认真对待高层建筑中风荷载。本文通过简述风的起因、
风的特征、风压及风荷载,更进一步说明了高层建筑中结构风振响应，从而达到风振控制以其实现采用非承重控制装

置施加控制力抵御风振反应的设计方法。

关键词：高层建筑风荷载 风振控制抗风设计

中图分类号：TU973+32 文献标识码：A

风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风
荷载包括三个部分：(1)平均风压产生的平均力(静态荷载)；(2)
脉动风压产生的随机脉动力(动态荷载)；(3)由于风致建筑物
振动产生的惯性力(动态荷载)。对于高层建筑来说，动态风荷
载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风
洞试验，风洞模型的高频动态天平试验直接测量刚性模型底
部的剪力和力矩，通过相似理论转换得到的是风作用在建筑
物底部的平均风力和脉动风力及其功率谱，由此计算得到相
应建筑物的位移和加速度响应。

一、 结构风荷载

1．风的成因、特性及风压
空气的水平运动称为风。风是由于空气从气压高处向气
压低处流动而形成的,所以气压在水平方向上分布不均匀就
是风产生的直接原因。

风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分：周期在
10min以上的平均风和周期在几秒钟的脉动风。由于受地表
阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角(一般在±10°范围
内)。表征风特性的参数有：1)平均风速剖面；2)紊流风速剖
面；3)脉动风速谱；4)湍流积分强度等。边界层中运动的空
气可视为低速、不可压缩流体。可根据 Bernouli方程由风速
确定风压。

风压是建筑结构设计中基本的设计依据之一,其取值大
小对高层建筑物的经济、适用与安全有密切的关系。基本风
压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的压力，根
据全国各台站重现期 50年的最大风速作为当地的基本风速
V0，再按贝努利方程确定基本风压 W 0：

1

W
200ρV=

2

选取自记 10min平均最大风速作为统计样本，计算风压
时必须考虑台站的空气密度的影响。空气密度公式如下：

收稿日期：2007-7-11
作者简介：蔡志波 男（1973—） 江汉油田设计院勘察室
研究方向：岩土工程

文章编号：1006-7973（2007）10-0078-03

1.276 p
.
0.378 e
ρ=
()

1+0.00366 t
1000

其中，e为水汽压

,hPa；t为温度，℃；P为大气压，hPa。

风压作用将产生的结果：1)使结构或构件产生过大的内
力和不稳定；2)使结构物产生过大的挠度或变形，引起外墙
和装饰材料的破坏；3)由反复的风振动作用，引起结构或构
件疲劳损坏；4)由于风振作用即动态运动，使建筑物的居位
者产生不舒适感。

2．风荷载
（1）风荷载的种类及特点
风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风
荷载包括三个部分：1）平均风压产生的平均力；2）脉动风
压产生的随机脉动力；3）由于风致建筑物振动产生的惯性力。
对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确
定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。

风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引
起，具有以下特点：1）风荷载与空间位置及时间(不确定性)
有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；2）风荷载
与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；3）
对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；4）
结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相
关性；5）脉动风的强度、频率、风向是随机的；6）风荷载
具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会
引起高层建筑的振动(即风振)。

二、高层建筑的风振控制

1．结构控制的概念
最早是由 Kabori和 Minai在 1960年提出的。美国的
T·P·Yao教授在 1972年确立了结构控制研究的学术地位，
并于同年提出了土木工程结构振动控制的概念。与结构自身
的加固和加强相比，,结构中引进附加控制系统，具有明显的
优势。结构控制是控制技术和建筑领域的交叉学科，是建筑

工程师 （433123）



第10期蔡志波：高层建筑风荷载及抗风设计

模型下应用控制理论达到建筑安全、舒适目标的课题。根据
控制力是否有外加能源输入，结构控制可分为被动控制和主
动控制。前者无外加能源，控制力是由结构响应被动施加的；
后者是有外加能源的控制，主动控制是由一定的控制理论计
算后主动施加的，,因此，它更优于被动控制，但它有控制力
小等弱点。于是，人们产生了结合两者优点的混合控制系统
的想法。

2．结构控制的措施
（1）被动控制
1）耗能减振系统
耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成消能
元件，或在结构物的某些部位设置阻尼器，在风荷载作用时，
阻尼器产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力
反应减小。耗能减振系统可分为两类：1)耗能构件减振体系,
利用结构的非承重构件作为耗能装置，常用的耗能构件

包括
耗能支撑、耗能剪力墙等；2)阻尼器减振系统，包括粘弹性
阻尼器(VED)、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。

VED是一种简单、方便和性能好的耗能控制装置，其优
点；1)只要结构在微小干扰下开始振，它就能耗能；2)其应
力和应变滞回曲线接近于椭圆形，因此它的耗能能力很强。
由于粘弹性材料是一种高分子聚合物，它受环境温度和工作
频率的影响最大。因此在设计 VED时，必须合理设计粘弹
性阻尼材料。

2）吸振减振系统
吸振减振技术是在主结构中附加子结构，使结构振动发
生转移，即使结构的振动能量在主结构与子结构之间重新分
配，从而达到减小结构风振反应的目的。目前，主要的吸振
减振装置有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)
等。

3）TMD系统
TMD是一种发展比较成熟的控制装置，安装在结构的顶
层或结构上部某层上,应用动力吸振器原理，将 TMD系统的
自振频率设计成与主体结构要控制的振型频率近似相等，从
而得到共振吸能的目的。高层建筑可以利用顶层的水箱、机
房或接近上部的旋转餐厅等作为 TMD的惯性质量块，耗能
器的种类很多，这里简要介绍几种耗能器。

①挤压铅耗能器。铅是一种结晶金属，当发生塑性变形
时，,其晶格被拉长并发生错动，此时，部分能量将转化为热
能，另一部分能量则由促进再结晶而被消耗，使金属返回非
变状态，结晶恢复可在常温下发生，所耗时间极短，且不伴
随疲劳现象，固有稳定的耗能能力。
②扭转梁阻尼器。其材料是低碳钢，低碳钢是一种优良
的弹塑性材料，它的变形能力很大。
③摩擦耗能支撑。
4）主动多重调谐质量阻尼器(AMTMD)
多重调谐质量阻尼器(MTMD)比 TMD具有更好的有效
性和鲁棒性。另一方面，在结构和 TMD之间引入一个主动
力即形成主动调谐质量阻尼器(ATMD)，其能够明显地改善
TMD的性能，但其鲁棒性的改善尚不能与 MTMD相媲美。

一种新控制策略———AMTMD。AMTMD聚 MTMD和
ATMD的优点于一体，能够用多个较小的质量和(或)主动力
代替单一的大质量和控制力，为超高层建筑的控制实现提供
了一个可行的方法。

5）杠杆式调谐质量阻尼器(LT-TMD)
LT-TMD和传统的TMD具有相等的控制有效性和冲程。
然而,LT-TMD比传统的 TMD具有更大的最优调谐频率比和
更小的最优阻尼比。LT-TMD的优点是,通过移动支撑的位
置，可以限制弹簧的静力和动力伸长而保持其控制有效性和
冲程不变。

6）结构多重双重调谐质量阻尼器(MDTMD)
双重调谐质量阻尼器(DTMD)是由 2个质量块通过阻尼
器和弹簧串联而成的减振系统，是一种先进的控制策略。多

重双重调谐质量阻尼器(MDTMD)系统参数的可能组合形成
十种 MDTMD模型，MDTMD比双重调谐质量阻尼器
(DTMD)具有更好的有效性和对频率调谐的鲁棒性。但
MDTMD的冲程大于 DTMD的冲程。

7）摆-油阻尼器(POD)
POD减振系统是高柔结构振动的新方法。
POD减振的原理是结构振动能量传给摆,摆头撞击油阻
尼器,能量被油阻尼器消耗掉,从而降低了结构的振动。油阻尼
器具有压缩、伸长不对称的特点,将它与摆结合就构成了一个
滞回线呈三角形的非线性耗能系统。该减振系统具有造价低、
易安装、占用空间小,免维护等优点。

8）调谐液体阻尼器(TLD)
TLD在结构振动控制中的应用始于 20世纪 80年代后
期。是一种固定在结构楼层(或楼面)上的具有一定形状的盛水
容器。可以是浅水的，也可以是深水的；可以是大型水箱，
也可以是多个小型容器的组合。目前，主要分为两类：1)日
本学者 Sato等人在 1987年提出的，它是一种矩形或圆柱形
的水箱；2)日本学者 Fujikazu Sakai等人 1988年提出的，
它是一种在 U型形状的管状水箱中间设有增加阻尼的隔栅的
装置。当结构在外荷载作用下发生振动时，将带动水箱一起
运动，而水箱的运动又会使箱中的液体产生晃动，并引起表
面的波浪，这种液体和波浪对箱壁的动压力差，以及液体随
结构一起运动引起的惯性力，就构成了建筑物的减振力。

（2）锚索控制
锚索控制最早是由预应力创始者 EngeneFreysinef在
1960年提出的，其基本原理是：在地震或风荷载作用下，
结构产生振动，当结构层间相对变形很小时，锚索处于松弛
状态，不起任何作用；而当结构层间相对运动很大时，,锚索
张紧,起斜向支撑作用，大大地约束结构的层间相对位移，从
而控制结构的振动。

（3）主动控制
主动控制的研究涉及控制理论、随机振动、结构工程、
材料科学、计算机科学、机械工程、振动测量、数据处理等
技术，是一门新兴的交叉学科。由于主动控制的实时控制力
可以随激励输入改变，其控制效果不依赖于外荷载的特性,因
此明显优于被动控制。目前，结构主动控制的理论研究以各



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种控制算法为主线，采用计算分析和模拟方法研究结构主动
控制的可行性、控制系统的时滞效应和时滞补偿、控制参数
对控制效果的影响等问题。

主动控制算法主要有：经典线性最优控制算法、瞬时最
优控制算法、预测实时控制算法、随机最优控制算法、模糊
控制算法、界限状态控制、极点配置法、独立模态空间控制
法、滑动模态控制理论、神经网络控制等。

目前研究开发的主动控制装

置主要有：主动控制调谐质
量阻尼器(AMD)、主动空气动力挡风板控制系统、主动支撑
系统、气体脉冲发生器、线性马达控制系统等。

（4）混合控制系统
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构
上的振动控制方式。一方面,被动控制由于引入了主动控制，
其控制效果增强，系统可靠度得以提高；另一方面，主动控
制由于被动控制的参与，所需的主动控制力大大减小，系统
的稳定性和可靠性都有所增强。

目前，提出的混合控制系统主要有以下几种：AMD和
TMD相结合的控制系统、主动控制与耗能装置相结合的控制

系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统。

三、结论

随着建筑设计向着智能化方向迈进,原来依靠结构构件
弹塑性防止结构破坏的方法有待改进,结构控制是一种被认
为能在 21世纪满足人们城市建设目标要求的技术,它将是智
能建筑技术的重要组成部分。

参考文献

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风振响应简化计算[J].建筑结构学报，第25卷第5期.2004
年10月
[5] GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S]
Wind load and wind-resist design of high-rise building

Cai Zhibo

Abstract: Along with the light mass and high intensity material unceasing emergence, the
high-rise construction pattern and the structure are developing towards the gentle and tall
direction.Therefore the wind is more and more big to the high-rise construction influence.We must
think better of the question.This article through the summary wind cause, the wind characteristic,
the wind pressure and the wind load, showed the wind inspires to the high-rise construction, thus
achieved the desigh method of the wind inspire control ,which use the non-load-bearing control
device .

Key word: high-rise building wind load wind inspire control wind-resist design

（接 77页）游横断面进行地质填绘,避免涵洞设置于软硬不[1] 《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）.中国铁道
均的地层上。 出版社，2005

4．对与涉及改沟的涵洞，勘测时需收集涵洞出入口横断[2] 《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-99）.中国铁道
面资料，以确保改沟平缓、顺畅，避免急流冲刷给涵洞带来出版社，1999
的潜在危害。 [3] 《桥渡水文》.铁路工程技术手册.中国铁道出版社，
参考文献
1993