摘　要：風荷載是高層建筑的主要側向荷載之一，鑒于越來越多的國外工程設計的要求，了解并掌握國際常用規范中風荷載的計算分析相關規定非常重要。結合超高層混合結構科威特中央銀行總部大樓的實際工程，對美國規范風荷載的相關規定及本工程的風洞試驗進行了介紹和研究，以期對類似工程的風荷載分析有一定的參照作用。

關鍵詞：風荷載；風洞試驗；超高層建筑

風荷載是高層建筑特別是超高層建筑的主要側向荷載之一。高層建筑在風荷載作用下遭到破壞的工程事故在近代中外都曾出現過，結構抗風分析是高層建筑設計計算的一個非常重要的環節。科威特中央銀行的新總部大樓(Central Bank of Kuwait New Headquarters Building，簡稱CBK)為非規則鋼筋混凝土筒體與外側鋼框架的超高層混合結構，設計采用美國規范，因而需要了解并掌握美國規范風荷載分析的相關規定，另外對于這種體型復雜的結構，既有規范很難確定建筑表面的風壓分布具體數值，可以借助風洞試驗來比較客觀真實的確定。

1 風荷載基本參數

當風以一定的速度向前運動遇到建筑物時，將對建筑物產生壓力，形成風壓。風速與風壓的關系可以通過伯努利方程表示。風壓值因高度、地貌、平均風速的時距、最大風速的樣本時間以及基本風速的重現期等影響因素的不同而取值不同[1,2]，各國規范在考慮這幾個影響因素的的規定時不盡相同。

例如，風速隨時間不斷變化，因此如何取值對抗風分析很有影響，通常取一個規定時間內（稱為時距）的平均風速作為計算的標準。顯然對于工程設計來說最大風速值與時距的大小有關。而當前世界各國所采用的平均時距標準并不一致，中國時距取10min，前蘇聯取2min，英國根據建筑物或構件的尺寸不同分別取3s、5s和15s，日本取瞬時，美國以風程1英里作為確定平均風速的標準，這相當于對不同風速取不同的平均時距。因而各國基本風壓值的標準也有差別。

圖1 科威特中央銀行新總部大樓(超高層建筑的風荷載)

為了抗風設計及計算，必須規定一個標準條件下的風壓，在指定的地貌、高度、時距等確定的風壓稱為基本風壓，它是抗風設計與計算中的基本參數。在實際工程結構的抗風設計與計算時，需要考慮非標準條件情況，此種條件下的的風壓可以根據一定的換算關系由標準風壓來換算。

2 風荷載計算

對于主要承重結構，風荷載標準值的表達可有兩種形式，其一為平均風壓加上由脈動風引起導致結構風振的等效風壓；另一種為平均風壓乘以風振系數。由于在結構的風振計算中，通常來說是第一振型起主要作用，因而我國與大多數國家相同，采用后一種表達形式，即采用風振系數來綜合考慮結構在風荷載作用下的動力響應[3]。

美國規范風荷載也包括主要抗風系統和構件及圍護結構兩部分。主要抗風系統是指用來支承次要構件及圍護結構的主要結構構件的組合，該系統主要承受來自相應間接位置的風荷載，如剛性框架及撐系框架、空間桁架、樓面及屋面板、剪力墻、桿系支撐框架等[4]。

我國荷載規范中規定的主要承重結構風荷載標準值的計算公式為：

美國UBC97規范規定的風荷載設計值的計算公式為：

美國ASCE 7-05規范中規定的主要抗風系統的風荷載設計值（方法一）的計算公式為：

上述公式中 和 均為體型系數，兩者相同； 與 均為高度變化的陣風影響系數，兩者的數值有所不同； 、 以及 為基本風壓，均根據當地的風速確定，風速取值標準不同； 及 均為建筑結構重要性系數； 是考慮建筑物的不同高度及不同地貌的調整系數； 是地形影響系數。

除了主要承重結構，對于圍護結構，中國規范中指出，由于其剛性一般較大，在結構效應中可以不必考慮其振動分量，此時可僅僅在平均風壓的基礎上，近似考慮脈動風瞬間的增大因素，原則上可以通過局部風壓體型系數和陣風系數來計算風荷載。對于房屋中直接承受風壓的幕墻構件，按傳統設計的經驗，風荷載都是考慮脈動響應，應按照規范規定采用相應的陣風系數，對非直接承受風壓的幕墻構件，陣風系數可以適當降低。對于其他的圍護結構構件，出于傳統設計經驗，風荷載可以僅僅通過局部風壓體型系數予以增大而不用考慮陣風系數。在美國規范中，構件及圍護結構部分的風荷載的設計值的計算公式與主要抗風系統的類似，僅僅在各個參數的取值上有所不同。

美國Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures規范中規定的主要抗風系統的風荷載設計值（方法二）的計算公式如下。

1）對于剛性結構

2）對于柔性結構

其中的 及 為速度風壓， 及 為陣風系數，而 及 分別為外部壓力系數和內部壓力系數。

中國GB5009-2001是根據比較空曠平坦的地面上10m高的50年一遇10min內的最大風速；而UBC97是根據比較空曠平坦的地面上10m高的50年一遇的最大風速(相當于3s平均風速)；兩者差值反映在風壓上，UBC97取值約比中國大1.5倍。美國規范基本風速取3s時距，比中國小，風速取值要比中國規范大，但是不能由此推斷美國規范抗風計算結果一定比中國大，因為討論效應要由風荷載總效應來對比，它取決于各個參數的綜合貢獻，不能由一個系數來評述。按我國規范計算結果，比美國規范計算結果小一些或大一些，都不能說明我國規范偏于不安全或偏于保守，而是按我國結構可靠指標要求而確定。當采用美國UBC97配套設計時，根據當地的基本風壓必須按照UBC97的取值標準提供。不同國家風荷載的計算可以有不同的結果，決定于適于每個國家自己的國情的安全度標準，以及長期以來的工程實踐。

CBK工程項目中，基本風速按90mph(即144km/h)，按照美國規范Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures的相關章節查出場地類別、重要性系數、地形影響系數等等參數，再根據本工程結構的特性結合美國規范的具體條文規定計算得出陣風系數0.88，在Etabs軟件中按照每隔15o自動定義了一個風荷載工況，共考慮72個風荷載工況。

3 風洞試驗

結構體型對風荷載有重要影響，確定風荷載的最精確的觀測是建立在原型結構上的。為了得到更一般的結論，必須研究所有重要參數的影響，然而這在實踐中是不可能的。因此，確定風荷載的最適當的方法就是進行結構模型風洞試驗。 對建筑物模型進行風載荷試驗，從根本上改變了傳統的設計方法和規范，大型建筑物如大橋、電視塔以及高層建筑群等，規定必須要進行風洞試驗，而且模型必須模擬實物的剛度(即彈性模型)，測量風振特性。

風洞，是指在一個管道內，用動力設備驅動一股速度可控的氣流，用以對模型進行空氣動力實驗的一種設備。風洞實驗的基本原理是相對性原理和相似性原理。一般來說高層建筑的迎風面積比較大，如果要做到實際尺寸的模型來進行風洞試驗，其動力消耗將是驚人的。根據相似性原理，可以將高層建筑做成幾何相似的小尺度模型。

CBK工程項目地處中東海灣地區，地上40層地下2層（不包括夾層部分），整個結構由底部的L形逐漸向三角形過渡，結構建筑標高為238.475m，其外觀如圖1所示。該建筑兩直角邊為鋼筋混凝土剪力墻結構，斜邊采用逐漸內收的交叉鋼管混凝土斜柱形成斜面，斜柱通過短梁與樓層邊梁的腹板連接。

工程設計階段，悉尼大學風洞試驗中心對整體塔樓做了1:500的縮尺風洞試驗，風洞試驗報告給出了NE-SW及SE-NW方向的最大彎矩、加速度和變形，并根據45o、270o、315o風向作用，給出了名義分配彎矩、剪力和總分配彎矩、剪力，按照設計時各風向角對應的剪力、彎矩組合系數定義了6個風荷載工況。

為了進行對照，同時又委托了英國BMT公司根據塔樓模型進行了風洞試驗，兩家單位的風洞試驗分別獨立進行。BMT風洞試驗報告給出了320o、240o、330o、120o、310o、270o、0o、100o、260o共9種最不利風荷載工況下的各樓層剪力及扭矩，并給出了風荷載的作用中心，方便在Etabs軟件中自動定義風荷載。除了結構整體風荷載外，還考慮了幕墻表面風荷載，作為幕墻設計依據。風洞試驗的示意圖片見圖2，風洞試驗的部分風壓分布圖見圖3。

圖2 科威特中央銀行新總部大樓風洞試驗示意(超高層建筑的風荷載)

經比較，英國BMT公司提供的風荷載值最大比初步設計時悉尼大學風洞試驗中心給出的風荷載值大，這是由于在結構初步方案時所估計的質量較實際工程小所造成的。實際工程設計時按照Etabs自動生成的風荷載組合和BMT公司提供的風荷載共同進行設計。

圖3 不同工況（1秒和3秒陣風）下結構的外表面風壓分布云圖(超高層建筑的風荷載)

4 結語

CBK工程項目設計采用美國規范，而美國規范中風荷載分析的相關規定與其它國家規范相比有不同之處，本文對比分析了中國與美國規范在風荷載參數取值以及計算方面的異同，能為類似工程風荷載分析計算提供一點參考。

該工程為非規則鋼筋混凝土筒體與外側鋼框架的超高層混合結構，對于這種體型復雜的結構，既有規范很難確定建筑表面的風壓分布具體數值，可以借助風洞試驗來比較客觀真實的確定。

參考文獻

[1]   張相庭編著，結構風工程 理論•規范•實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2006

[2]   張相庭編著，高層建筑抗風抗震設計計算[M].上海：同濟大學出版社，1997

[3]   GB5009-2001,建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006

[4]   ASCE 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].美國：American Society of Civil Engineers ，2006

 （上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司，上海201908）