结构台风灾害与抗风概念设计：结构抗风设计

1.结构风工程

结构风工程是在气象学、钝体空气动力学和结构随机振动等学科的理论基础上运用风洞试验、现场实测或数值模拟等一种或多种的方法，对结构在风荷载作用下的位移、加速度等结构响应，以及建筑周围风环境进行分析和评估，以确保结构的安全性和舒适性的一门学科。

当风流经建筑物时，会对建筑物（钝体）不同部位产生不同的风致效应。对于封闭的房屋外表面，来流角度为正立面时，风场来流在正立面墙面的约2/3 高度处发生了分离，该点的风速变为零，部分靠下面的气流向下并在水平地面处形成驻涡区，部分靠上面的气流上升并越过建筑物顶面，在正立面的屋檐形成较高的局部负风压，在背立面形成尾流，负风压较高，见图10.3.1-1。对于封闭的房屋外表面，来流角度为侧立面时，风场来流在侧立面的约1/2 高度处发生了分离，部分靠下面的气流向下并在水平地面处形成驻涡区，部分靠上面的气流上升并越过建筑物顶面或从正立面绕过建筑物，在迎风面的屋檐或者正立面形成较高的局部负风压，见图10.3.1-2。

图10.3.1-1　迎风面是正立面时的流场

图10.3.1-2　迎风面是侧立面时的流场

目前结构风工程的研究方法主要有四种：理论研究、现场实测、风洞试验和数值模拟。一个设计人员面临某一项工程结构的抗风设计任务时，结构抗风设计与结构抵抗其他荷载的设计有什么区别呢？这是我们需要关心的问题，也是我们需要解决的基本问题。

2.“天鸽”台风结构台风灾害的经验教训

（1）我国规范关于风荷载的要求基本合理。

我国关于风荷载的规范有：新中国成立初期，引进苏联标准为主，发布了《荷载暂行规定》（结规1-54），后来修订为《荷载暂行规定》（结规1-58）。1974年进行了修订，发布了第一本我国自主的较为完整的荷载规范——《工业与民用建筑结构荷载规范：TJ 9-74》。1987年进行了修订，发布了新一代基于概率极限状态设计的先进标准《建筑结构荷载规范：GBJ 9-87》。2001年进行了修订，即《建筑结构荷载规范：GB 50009—2001》，中间还有《建筑结构荷载规范：GB 50009—2001》（2006年版）。2012年又进行了修订，即《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》。结合广东省风工程的科研成果，特别是对广东省风荷载的总结，发布广东省标准《建筑结构荷载规范：DBJ 15-101—2014》。

目前一般建筑物在进行结构设计时，基本风压值取值是参照GB 50009—2012以及广东省标DBJ 15-101-2014给出的某个地区50年或100年重现期基本风压值。近几年经过多次强台风考验，如2013年汕尾台风“天兔”（风速45 m/s）、2014年海南台风“威马逊”（风速60 m/s）、2015 年湛江台风“彩虹”（风速50 m/s）、2016年厦门台风“莫兰蒂”（风速48 m/s）、2018年台山台风“山竹”（风速45 m/s）等均达到14级的强台风，主体结构安全概率能达到约95%，有效地保障了人民的生命财产安全。本书重点调查分析2017 年珠海“天鸽”强台风结构风灾的案例中，主体结构安全概率能达到约94%。表明凡是按照GB 50009—2012或广东省标DBJ 15-101-2014进行设计、施工和使用的各类房屋建筑在遭遇基本风压的风荷载效应下均经受了考验，极少出现倒塌破坏，这个经验应该充分肯定。

（2）对抗风概念设计和抗风构造措施不重视。结构风灾调查表明，此次破坏严重房屋建筑多数是由于抗风概念设计和抗风构造措施方面存在缺陷引起的，部分项目进行了风洞试验仍然产生风致灾损。例如平面布置不规则和立面布置不规则导致气动外形不合理、处于不利的风环境估计不足、地面粗糙度取值不清楚、多栋房屋风荷载干扰效应考虑不周、抗风薄弱部位如风荷载敏感区和风荷载高风压区未准确计算、围护结构没有采取抗风构造措施、对风致碎片引起的破坏未引起重视、对风致内压未考虑、施工和监理单位在施工中未对上述抗风薄弱部位进行重点检查等。因此，结构风灾致损后重建，要重视抗风概念设计和抗风构造措施，从概念上准确把握结构抗风性能。

（3）部分项目报建审批手续不齐。无正规报建手续的大多结构受力体系不明确，结构不合理，采用的设计标准不明，具有随机性及多样性，未采取抗风构造措施，台风的风荷载效应非常复杂，主体承重结构倒塌较多。除了技术方面原因之外，该类房屋规划设计与施工管理明显缺少建设行政主管部门的监督管理。

（4）结构风灾引起的次生灾害重视不足。钢结构金属屋面本身造价不高，但是风致破坏导致建筑内的设备、产品泡水损坏，塔式起重机倒塌导致撞击荷载次生灾害，将地下室顶板等结构构件砸坏，据调研，平均每台塔式起重机，机械破坏和拆除、结构鉴定和加固的损失就达150万元人民币。

（5）对建筑抗风有利的场地和环境的选择不合理。目前不少结构设计人员在进行结构设计时没有到项目现场查看建筑风场地和环境，对于山峰、山坡、山谷建筑物风荷载明显存在的差异，应准确计算，经过多年的台风调查，对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，实际风荷载明显增大，应计算增大系数。高层建筑物的群起干扰效应和周边是否处于无遮挡状态，设计人员也应慎重考虑。(www.xing528.com)

（6）对建筑易损围护结构考虑不严谨。目前我国《坡屋面工程技术规范：GB 50693—2011》［12］中还没有详细对屋面抗风构造做出规定。金属屋面、块瓦屋面等对风敏感屋面体系施工工程中，施工单位常参照已建工程和自身经验进行抗风构造处理。门窗也是由施工单位常参照已建工程和自身经验进行抗风构造处理，因此有必要完善风敏感部位在抗风构造方面的技术规程［13］。设计人员应对门窗、幕墙、金属屋面等风致易损围护结构进行认真计算，出具深化设计图，块瓦屋面出具抗风构造大样图。

3.结构抗风设计

（1）结构抗风设计主要分为主体结构和围护结构的抗风设计两方面，主体结构的抗风设计其实就是对主体结构在风荷载作用下各个风向角发生的加速度和位移响应进行计算和分析，对结构方案舒适性和安全性进行计算和验证，或主体结构不满足抗风设计要求时为结构方案修正提出建议以达到结构抗风设计要求的一个过程。

对比主体结构和围护结构的抗风设计，我们更关心的是主体结构的抗风设计。主体结构就是指抵抗外来荷载组合（如恒荷载、活荷载、地震荷载和风荷载等）的结构体系，如建筑中常用的框架、剪力墙、框架-核心筒体系、筒中筒等。主体结构的抗风设计是关乎人民生命的部分，表面围护结构属于易于替换的构件，出现风致破坏后可以更换。但主体结构一旦出现问题，楼倒人亡，将引起社会不良反应。

风荷载目前主要通过风洞实验得到，它不仅仅是建筑物表面的荷载，而且要得到施加到结构动力模型质点上的荷载。由于风荷载属于随机荷载，结构风振响应的分析方法运用结构随机振动理论进行分析，目前主要用频域的方法进行计算，并进行振型组合。在完成以上过程之后，通过计算得到的主体结构最大响应可以求出结构等效静风荷载。因此等效静风荷载就是把风荷载的最大动力作用等效转化为静力荷载，以便设计人员进行后面的构件设计。

（2）建筑外表面的围挡物品构成建筑物围护结构，如门、窗、墙、金属屋面等。现代超高层建筑最主要的围护结构是幕墙，幕墙的抗风设计主要是通过风洞试验测出其表面局部体型系数，从而计算出作用在围护结构上的风压。通过风压便可以对围护结构进行计算和设计。

（3）主体结构的抗风设计过程见图10.3.1-3，结构的气动荷载与建筑体形密切相关，建筑平面、立面外形的精心设计对减少所受风荷载有很大帮助。调整气动外形，改变整体或部分的体型以改变气动荷载，或采用阻尼器等。所以关于建筑几何体型和所受风荷载关系的研究已经有很多，超高层建筑体型气动效应对比和优化的课题研究也有很多。对建筑表面进行处理，如在建筑物表面增加竖条以改变表面粗糙度，从而改变气动效应，当然还有一些计算不清楚的采用抗风构造措施来提高抗风性能。设计方案的建议和抗风措施修改一般根据上述处理。

图10.3.1-3　主体结构的抗风设计过程

（4）主体结构和围护结构的抗风设计都完成后，便得到最终的结构抗风方案。结构抗风设计的总体框架见图10.3.1-4。

图10.3.1-4　结构抗风设计的总体框架

（5）台风对建筑物的作用存在着许多不确定或不确知的因素，它不仅与风本身的风荷载强度、频率特性、作用方向、持续时间等有关，还与建筑物所处的环境及自身的特点体型、高度、动力特性、表面状况等有关。虽然目前对结构风工程的研究已能较好地揭示风与结构相互作用的规律，但要十分精确地得到风荷载对结构的响应目前都还很难做到。结构抗风设计的目的在于保证结构在施工阶段和建成后的使用阶段主体结构和围护结构能够安全承受可能发生的最大风荷载和风振动引起的动力作用。根据风对主体结构和围护结构造成的风致破坏来分析，结构抗风设计中必须保证主体结构在使用过程中不出现风致破坏等现象，因此抗风设计应该遵循以下的原则：强主体弱围护、强局部弱整体、强连接弱构件、强构造弱计算。满足强度、刚度、变形设计要求、防止构件局部破坏、满足疲劳设计与舒适度的要求。

在金属屋盖建造过程中，宜进行抗风验算，基本风压可按 10 年重现期取值。