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高层建筑的结构固有频率正逐步接近强风的频率。因此对高层建筑而言，必须了解其结构对风荷载引起的振动的实际反应，从而确定在受到风荷载影响时，高层建筑结构的薄弱环节。 1.风荷载研究的现状 建筑结构的抗风是工程结构设计必须面对的重大课题。任何建筑物、构筑物的设计，尤其是高层建筑这类柔性结构的设计，必须从设计上保证建筑物在其设计寿命中的抗风能力，即在风荷载作用下的安全性、实用性和可靠性。经过半个多世纪的发展，建筑结构风荷载问题的研究已经建立了理论基础，可以满足一般结构的抗风设计要求。而随着建筑结构高大化的趋势，使结构风荷载研究面临新的挑战，需要对现行理论和方法进行精细化的改进和发展，同时开展有效风振控制方法的研究，为解决大型复杂结构的风荷载问题做好准备。这里所说的风振问题，即风和结构的相互作用，特别是动力风效应。 2.建筑结构抗风的理论基础 结构抗风理论基础是建筑空气动力学。建筑空气动力学是由流体力学、结构动力学、随机振动、概率论、控制论等多门学科组成的一门边缘学科。其研究方法包括理论分析、现场实测和风洞试验。流体的惯性力与粘性力之比称为雷诺数。当雷诺数较大时，流体的流动以惯性力为主，这时与流体接触的任何固体表面的边界层之间存在很大的能量交换，十分紊乱，该流体成为紊流或湍流。研究表明：在大气边界层底层强湍流场中，湍流结构特性的模拟比雷诺数模拟更具重要性。在风洞中进行建筑结构风荷载和风响应试验时，要满足平均风速廓线和湍流结构性相似。要使风洞模拟的大气边界层流动与实际大气中的流动情况完全相似，必须满足几何相似、运动相似、动力相似、热力相似以及边界条件相似等，这是不可能的。 只能针对具体的研究对象做到部分或近似模拟大气边界层。风洞试验另一个问题是如何将试验数据用于对工程的评估。传统的湍流模型在处理外形绕流问题时，对驻点及附近区域流场的湍流动能预测过高；在流体前缘，流场的涡量却很低。在求解方程时，收敛困难、稳定性差，其数值计算方法需提高精度。现场测试是一种直接的研究方法。可以较为真实地对工程模拟的结果进行验证，但是要花费大量的人力、物力和时间。特别是由于现场测试时，气象条件和地形条件等难以控制和改变。使用这种方法进行规律性研究是困难的。目前作为资料的强风作用观测记录的数据量有限，还不能在实际工程的风荷载振动计算中普遍应用。 3.对结构风荷载的分析高层建筑在风荷载作用下有如下几种破坏形式： （1）主体结构开裂或损坏。 （2）层间位移引起非承重墙开裂。 （3）局部风压过大引起玻璃等装饰物结构破坏。 （4）建筑物长期的频繁大幅度摆动使居住者感到不适。 （5）长期的风致震动引起结构疲劳破坏。这是由于风荷载是一种随机荷载，其荷载大小由风速大小来决定。某一地区某次风速的大小是随机变量，同一次风的风速因建筑物所在地貌、测量高度、测量时间等因素而变化，不重复出现。一般把一定的地貌条件、测量时距和规定的概率条件下确定的风速称为基本风速，相应的风压称为基本风压。由于建筑物同一个面上各点的压力系数并不相等，常取一个面上各点压力系数的平均值作为该面的体型系数。 其特点是：建筑物迎风面一般为正压力。压力值在该面中间部分较大，边缘部分较小；建筑物背风面受负压力。整个背面的负压力分布较为均匀；当风平行于建筑物的侧面时，两侧通常为负压力；除了形状的影响外，建筑物的各向尺寸比例也影响体型系数的取值，一般高宽比越大，体型系数也越大。风荷载包括平均风对结构的静力荷载和脉动风对结构的动力荷载。在工程结构设计时，可以通过确定平均风的最大值来进行设计，而如何确定设计最大风速，并考虑其风向概率对工程结构的安全性和经济性的影响，必须要有长年的气象记录。脉动风荷载是随机荷载，它使结构产生随机振动。要分析结构在脉动风作用下的随机响应，必须了解脉动风的概率特性，包括其概率分布、功率谱、空间相关性等；由于目前缺少对脉动风运动的实测数据，在工程结构设计中选用脉动风参数（一定保证率的脉动风压与平均风压之比）时，一般偏于保守。脉动风本质上是三维风紊流，包括相互正交的顺风向、横风向水平紊流和垂直方向紊流。对一般结构而言，横风与垂直方向的风紊流的效应比顺风向紊流的效应要小得多。工程结构的设计者要预计该结构在其使用寿命内可能遇到的最大风荷载，必须研究结构所在地区风荷载的统计规律，这就要用概率论方法来进行分析。在实际问题中，通过知道随机变量的几个主要特征，就可以用少数特征值来描述随机变量的主要特点。高层建筑结构的动力特性是其自振频率，阻尼比和振型。对于抗风计算来说，工程上的结构抗风分析一般都是只考虑其某一个方向的频率的影响，这种分析不利于研究作用于结构物表面的时间性影响；不利于有效考虑结构几何非线性、材料非线性影响；不利于对结构的舒适度和局部疲劳进行分析；不利于实施结构振动控制研究。而工程人员希望更直接地了解结构特性；在不进行大量结构数学模型简化工作的前提下直接计算出高层建筑位移的最大值。尤其是在缺少实测或实验资料时，可以通过简化计算方法与精确的分析方法进行比较验证。风速—时程曲线是通过对结构进行时域范围内的风动力分析得到的。工程上的结构抗风分析要进行较精确的非线性分析，只能采用时域法（直接在时间域内对系统动态过程进行研究的方法。控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能）。 由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。时域法在结构抗风计算中有很多优点，尽管时域分析费时，但随着计算技术的不断发展，这个问题是可以解决的。人工模拟风荷载可以考虑场地、风谱特征、建筑物的特点等条件的随意性，使模拟得到的风荷载尽量接近结构的实际风力。#p#分页标题#e# 4.结束语 结构风荷载研究已经为结构设计提供了基本的参数和近似的风荷载和风振分析手段。从工程应用的角度看，对于一般的大跨、高耸结构，现有的理论和方法也可以满足设计要求。高层建筑结构风荷载问题始终处于学科发展的核心地位。它既要解决实际的工程问题，又要注重风荷载学科发展。它的研究内容不仅对国民经济建设起到重要的作用，对国防建设也有重要影响。科