高层建筑风振问题与抗风设计方案

结构风工程是研究建筑结构在风荷载作用下的加速度、位移等响应，以及对建筑周围风环境进行分析和评估，以确保建筑安全性和舒适性。我国近年随着经济发展，100 m以下的住宅项目所占比重很大，而强风多发地区往往处于沿海深厚软土地区。因为除了跟上部结构变形有关之外，明显跟深厚软土地基基础变形有关，沿海深厚软土地区高层建筑风荷载作用下的加速度、位移等响应比非深厚软土地区显著。2019年浙江温岭“利奇马”超强台风登陆时台风中心最大风力达16级（风速58 m/s），上海中心大厦阻尼器观测到了运行摆幅达到了单边最大移动值750 mm。对比2018年上海市崇明岛“安比”台风登陆时中心附近最大风力有10级（28 m/s），上海中心大厦阻尼器最大单边摆幅仅有500 mm。根据阻尼器单边摆幅750 mm，通过理论研究并进行估算，上海中心大厦整栋大楼的摆幅应该在150 mm左右。2018年台山“山竹”强台风登陆时台风中心最大风力达14级（风速45 m/s），平安金融中心114F层的阻尼器在台风来袭时参与工作并取得了预期的效果，单边摆幅不超过300 mm，约为设计值的50%。2017年珠海“天鸽”、2018年台山“山竹”强台风在脉动风压作用下产生风振效应，很多住户拍摄视频显示粤港澳大湾区100 m建筑高度以下住宅楼沿抗侧刚度小的短边方向产生明显的摆幅，室内吊灯、建筑外墙在摆动，影响了舒适度。

图10.6.1-1　深厚软土地区高强预应力管桩使用

粤港澳大湾区大部分区域属于深厚软土地区，存在压缩性大的土层，土的天然含水量大，黏聚力和内摩擦角值较低。高强预应力混凝土管桩具有工期短、竖向承载力高、施工方便等优点，在房屋建筑工程中大量使用。但是高强预应力管桩基础的缺点是抗侧刚度小、抵抗水平力不高，见图10.6.1-1。对于基础设计等级为甲级，总高度接近100 m的高层建筑项目，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》第12.1.8条，采用设置地下室，控制基础埋深大于1/18建筑总高度的构造要求，不需要验算桩的水平力承载力。且规范没有分各种地质情况，因此设计图纸没有提到管桩的抗水平承载力特征值要求，很多地区也没有开展管桩抗水平力检测。该类型的项目，其实水平荷载为主要荷载，竖向荷载为次要荷载。虽然满足基础埋深要求，泥土层实际上的抗水平力有限，建筑物不一定完全满足抗水平荷载要求，建议对该类型的项目的桩单桩竖向承载力特征值考虑抗水平荷载因素不宜取值过高［25］。

保证主体结构基本处于弹性受力状态，要避免混凝土墙或柱出现裂缝，同时，将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内。保证幕墙、填充墙和隔墙等围护结构构件的完好，避免产生明显损伤。JGJ 3—2010要求横风向振动效应或扭转风振效应明显的高层建筑，应考虑横风向风振或扭转风振的影响。横风向风振或扭转风振的计算范围、方法以及顺风向与横风向效应的组合方法应符合《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》的有关规定。考虑横风向风振或扭转风振影响时，结构顺风向及横风向的侧向位移应满足按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大位移与层高之比Δu／h宜符合以下规定：高度不大于150 m的高层建筑，对于普通剪力墙结构，其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h≤1000。△u的数值是假设地基基础是刚度很大的嵌固端忽略地基基础变形，按弹性方法计算上部结构的楼层层间最大位移。深厚软土地区采用高强预应力管桩时应考虑地基基础的水平弹性变形Δu1。实际上楼层层间最大位移为Δu+Δu1。“天鸽”强台风中，对于珠海市深厚软土地区100 m以下建筑高度、33层、采用高强预应力混凝土管桩的高层房屋建筑，不少居民反映在激烈地摇晃。根据居民所拍视频，目测客厅吊灯吊绳长度600 mm，振幅20 mm，Δu/h=20/600=0.033，可能大于规范允许值。

高层建筑物在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适，甚至不能忍受，两者的关系见表10.6.1-1。

表10.6.1-1　舒适度与风振加速度关系(www.xing528.com)

房屋高度≥150 m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求。在10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的横风向和顺风向振动最大加速度计算值不应超过表10.6.2-1的限值。结构顶点的横风向和顺风向振动最大加速度可按《高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ 99—2015》［26］的有关规定计算，也可通过风洞试验结果判断确定，计算时结构阻尼比宜取0.01～0.02。

风致振动的侧向位移过大，主体结构与墙体围护结构之间连接部位容易产生裂缝，外窗与外墙连接部位容易产生裂缝，裂缝的出现导致外墙渗水、窗边渗水概率增高。

表10.6.2-1　结构顶点风振加速度限值αlim

注：楼盖结构竖向自振频率为2～4 Hz时，峰值加速度限值可按线性插值选取。