高層建筑的結(jié)構(gòu)固有頻率正逐步接近強(qiáng)風(fēng)的頻率。因此對(duì)高層建筑而言，必須了解其結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載引起的振動(dòng)的實(shí)際反應(yīng)，從而確定在受到風(fēng)荷載影響時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

1.風(fēng)荷載研究的現(xiàn)狀

建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須面對(duì)的重大課題。任何建筑物、構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)，尤其是高層建筑這類柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須從設(shè)計(jì)上保證建筑物在其設(shè)計(jì)壽命中的抗風(fēng)能力，即在風(fēng)荷載作用下的安全性、實(shí)用性和可靠性。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載問題的研究已經(jīng)建立了理論基礎(chǔ)，可以滿足一般結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。而隨著建筑結(jié)構(gòu)高大化的趨勢(shì)，使結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究面臨新的挑戰(zhàn)，需要對(duì)現(xiàn)行理論和方法進(jìn)行精細(xì)化的改進(jìn)和發(fā)展，同時(shí)開展有效風(fēng)振控制方法的研究，為解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載問題做好準(zhǔn)備。這里所說的風(fēng)振問題，即風(fēng)和結(jié)構(gòu)的相互作用，特別是動(dòng)力風(fēng)效應(yīng)。

2.建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)理論基礎(chǔ)是建筑空氣動(dòng)力學(xué)。建筑空氣動(dòng)力學(xué)是由流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)振動(dòng)、概率論、控制論等多門學(xué)科組成的一門邊緣學(xué)科。其研究方法包括理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)。流體的慣性力與粘性力之比稱為雷諾數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，流體的流動(dòng)以慣性力為主，這時(shí)與流體接觸的任何固體表面的邊界層之間存在很大的能量交換，十分紊亂，該流體成為紊流或湍流。研究表明：在大氣邊界層底層強(qiáng)湍流場(chǎng)中，湍流結(jié)構(gòu)特性的模擬比雷諾數(shù)模擬更具重要性。在風(fēng)洞中進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，要滿足平均風(fēng)速廓線和湍流結(jié)構(gòu)性相似。要使風(fēng)洞模擬的大氣邊界層流動(dòng)與實(shí)際大氣中的流動(dòng)情況完全相似，必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、熱力相似以及邊界條件相似等，這是不可能的。

只能針對(duì)具體的研究對(duì)象做到部分或近似模擬大氣邊界層。風(fēng)洞試驗(yàn)另一個(gè)問題是如何將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于對(duì)工程的評(píng)估。傳統(tǒng)的湍流模型在處理外形繞流問題時(shí)，對(duì)駐點(diǎn)及附近區(qū)域流場(chǎng)的湍流動(dòng)能預(yù)測(cè)過高；在流體前緣，流場(chǎng)的渦量卻很低。在求解方程時(shí)，收斂困難、穩(wěn)定性差，其數(shù)值計(jì)算方法需提高精度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是一種直接的研究方法。可以較為真實(shí)地對(duì)工程模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，但是要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。特別是由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，氣象條件和地形條件等難以控制和改變。使用這種方法進(jìn)行規(guī)律性研究是困難的。目前作為資料的強(qiáng)風(fēng)作用觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù)量有限，還不能在實(shí)際工程的風(fēng)荷載振動(dòng)計(jì)算中普遍應(yīng)用。

3.對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的分析高層建筑在風(fēng)荷載作用下有如下幾種破壞形式：

（1）主體結(jié)構(gòu)開裂或損壞。

（2）層間位移引起非承重墻開裂。

（3）局部風(fēng)壓過大引起玻璃等裝飾物結(jié)構(gòu)破壞。

（4）建筑物長(zhǎng)期的頻繁大幅度擺動(dòng)使居住者感到不適。

（5）長(zhǎng)期的風(fēng)致震動(dòng)引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞。這是由于風(fēng)荷載是一種隨機(jī)荷載，其荷載大小由風(fēng)速大小來決定。某一地區(qū)某次風(fēng)速的大小是隨機(jī)變量，同一次風(fēng)的風(fēng)速因建筑物所在地貌、測(cè)量高度、測(cè)量時(shí)間等因素而變化，不重復(fù)出現(xiàn)。一般把一定的地貌條件、測(cè)量時(shí)距和規(guī)定的概率條件下確定的風(fēng)速稱為基本風(fēng)速，相應(yīng)的風(fēng)壓稱為基本風(fēng)壓。由于建筑物同一個(gè)面上各點(diǎn)的壓力系數(shù)并不相等，常取一個(gè)面上各點(diǎn)壓力系數(shù)的平均值作為該面的體型系數(shù)。

其特點(diǎn)是：建筑物迎風(fēng)面一般為正壓力。壓力值在該面中間部分較大，邊緣部分較小；建筑物背風(fēng)面受負(fù)壓力。整個(gè)背面的負(fù)壓力分布較為均勻；當(dāng)風(fēng)平行于建筑物的側(cè)面時(shí)，兩側(cè)通常為負(fù)壓力；除了形狀的影響外，建筑物的各向尺寸比例也影響體型系數(shù)的取值，一般高寬比越大，體型系數(shù)也越大。風(fēng)荷載包括平均風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力荷載和脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力荷載。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過確定平均風(fēng)的最大值來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而如何確定設(shè)計(jì)最大風(fēng)速，并考慮其風(fēng)向概率對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，必須要有長(zhǎng)年的氣象記錄。脈動(dòng)風(fēng)荷載是隨機(jī)荷載，它使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。要分析結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下的隨機(jī)響應(yīng)，必須了解脈動(dòng)風(fēng)的概率特性，包括其概率分布、功率譜、空間相關(guān)性等；由于目前缺少對(duì)脈動(dòng)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)（一定保證率的脈動(dòng)風(fēng)壓與平均風(fēng)壓之比）時(shí)，一般偏于保守。脈動(dòng)風(fēng)本質(zhì)上是三維風(fēng)紊流，包括相互正交的順風(fēng)向、橫風(fēng)向水平紊流和垂直方向紊流。對(duì)一般結(jié)構(gòu)而言，橫風(fēng)與垂直方向的風(fēng)紊流的效應(yīng)比順風(fēng)向紊流的效應(yīng)要小得多。工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者要預(yù)計(jì)該結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)可能遇到的最大風(fēng)荷載，必須研究結(jié)構(gòu)所在地區(qū)風(fēng)荷載的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這就要用概率論方法來進(jìn)行分析。在實(shí)際問題中，通過知道隨機(jī)變量的幾個(gè)主要特征，就可以用少數(shù)特征值來描述隨機(jī)變量的主要特點(diǎn)。高層建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是其自振頻率，阻尼比和振型。對(duì)于抗風(fēng)計(jì)算來說，工程上的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析一般都是只考慮其某一個(gè)方向的頻率的影響，這種分析不利于研究作用于結(jié)構(gòu)物表面的時(shí)間性影響；不利于有效考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性、材料非線性影響；不利于對(duì)結(jié)構(gòu)的舒適度和局部疲勞進(jìn)行分析；不利于實(shí)施結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究。而工程人員希望更直接地了解結(jié)構(gòu)特性；在不進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化工作的前提下直接計(jì)算出高層建筑位移的最大值。尤其是在缺少實(shí)測(cè)或?qū)嶒?yàn)資料時(shí)，可以通過簡(jiǎn)化計(jì)算方法與精確的分析方法進(jìn)行比較驗(yàn)證。風(fēng)速—時(shí)程曲線是通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)域范圍內(nèi)的風(fēng)動(dòng)力分析得到的。工程上的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析要進(jìn)行較精確的非線性分析，只能采用時(shí)域法（直接在時(shí)間域內(nèi)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究的方法。控制系統(tǒng)在一定的輸入下，根據(jù)輸出量的時(shí)域表達(dá)式，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能）。

由于時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，所以時(shí)域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。時(shí)域法在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算中有很多優(yōu)點(diǎn)，盡管時(shí)域分析費(fèi)時(shí)，但隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)問題是可以解決的。人工模擬風(fēng)荷載可以考慮場(chǎng)地、風(fēng)譜特征、建筑物的特點(diǎn)等條件的隨意性，使模擬得到的風(fēng)荷載盡量接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際風(fēng)力。