高層結(jié)構(gòu)設(shè)計要確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下具有足夠的抵抗變形能力和承載能力，保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性。同時，高層建筑物在風(fēng)荷載作用下將產(chǎn)生振動，過大的振動加速度將使在高樓內(nèi)居住的人們感覺不舒適，因此高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度的要求。
1.1 等效靜態(tài)風(fēng)荷載
一般作用在建筑物上的風(fēng)包括平均風(fēng)和脈動風(fēng)。其中平均風(fēng)是風(fēng)荷載的長周期部分作用在建筑物上，其周期常在10min以上，可認為是作用在建筑物上的靜荷載，因為其周期與建筑物的自振周期相差較遠；脈動風(fēng)則是短周期部分作用在建筑物上，其脈動的周期很短，一般只有幾秒，其作用可以被認為是作用在建筑物上隨機的動荷載，因為其周期與建筑物的自振周期比較接近。
作用在建筑結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載除了平均風(fēng)和脈動風(fēng)產(chǎn)生的平均風(fēng)力和脈動風(fēng)力，還有風(fēng)振產(chǎn)生的慣性力。平均風(fēng)力、脈動風(fēng)力和慣性力組合得到最終的等效靜態(tài)風(fēng)荷載。
（1）慣性力
根據(jù)高頻動態(tài)天平試驗結(jié)果，可以求出高層建筑底部的平均風(fēng)力(包含力矩和剪力)和脈動風(fēng)力，在給出高層建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，可以計算出位移和加速度響應(yīng),由共振加速度可以進一步求出慣性力。慣性力是由振動產(chǎn)生的，由加速度和質(zhì)量決定，沿高度分布慣性力均方根σaf(z)表達式為：
上式中m(z)為沿高度的質(zhì)量，
為沿高度的加速度。
（2）平均風(fēng)力和脈動風(fēng)力
空氣來流沿高層建筑高度分布的風(fēng)力可通過下式表達：
其中：ρ為空氣密度；
是z處單位高度上的力系數(shù)，一般通過風(fēng)壓測量試驗確定；
是來流風(fēng)速。
風(fēng)速是平均風(fēng)速與脈動風(fēng)速的合成，即：
一般來說，脈動風(fēng)速相對于平均風(fēng)速是小量，忽略二階小量，即可得到沿高度分布的平均風(fēng)力和脈動風(fēng)力分別如下：
脈動力均方根為：
其中
，為沿高度的來流湍流度。
（3）等效靜態(tài)風(fēng)荷載
沿高度分布的等效靜態(tài)風(fēng)荷載由下式給出：
式中g(shù)為峰值因子，可取3.5。
1.2 結(jié)構(gòu)體型系數(shù)
對于普通的高層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)一般按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）表8.3.1和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第4.2.3條取包絡(luò)值。
需要更細致進行風(fēng)荷載計算的建筑可由風(fēng)洞試驗確定。
風(fēng)洞試驗中各點的風(fēng)壓系數(shù)的計算公式如下：
其中，
為風(fēng)壓系數(shù)，
為測點壓力，
為參考點靜壓，ρ為空氣密度，
為參考點風(fēng)速。
風(fēng)載體型系數(shù)μsi與風(fēng)壓系數(shù)Cp有如下關(guān)系：
其中，
為參考點和i點的風(fēng)壓高度變化系數(shù),根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）8.2取值。
以270m高的某框架核心筒結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)為例，從圖1.2 1可知，結(jié)構(gòu)不同高度的體型系數(shù)不同，高度越高，體型系數(shù)越大，體型系數(shù)從底部的0.6增大至頂部的1.6。
圖1.2 1 某高層結(jié)構(gòu)體型系數(shù)
1.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)
對于普通的建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）式（8.4.3）計算；
對平面形狀或立面形狀復(fù)雜，立面開洞或連體建筑的風(fēng)振系數(shù)可按風(fēng)洞試驗確定。時域法的步驟是：
（1）通過風(fēng)洞試驗或模擬獲得結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓時程，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行建模，將風(fēng)壓荷載力時程Fi作用在表面節(jié)點上：
式中，
為表面i節(jié)點處的風(fēng)壓系數(shù)時程，
為風(fēng)流的參考風(fēng)壓，
為節(jié)點i位置所對應(yīng)的表面面積。
（2）進行時程計算分析，可得結(jié)構(gòu)各個節(jié)點的位移時程響應(yīng)，結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)計算公式為：β=Ra/Rd（1.3-2）
式中，Rd為平均風(fēng)產(chǎn)生的靜位移，Ra為風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的總響應(yīng)。
（1）基本周期
計算風(fēng)荷載時輸入的結(jié)構(gòu)基本周期需根據(jù)結(jié)構(gòu)特征值計算的實際周期取值，否則會影響風(fēng)計算結(jié)果的準確性。
以14層框架結(jié)構(gòu)為例，計算風(fēng)荷載時軟件默認的結(jié)構(gòu)基本周期為0.2s，實際結(jié)構(gòu)的基本周期為0.7s�；局芷诎�0.2s輸入得到的X向剪力3524kN，基本周期按0.7s輸入得到的X向剪力3689kN，剪力偏小4.5%，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全。
（2）地震組合
YJK軟件缺省設(shè)置的參數(shù)是風(fēng)荷載不參與地震組合，對于高度大于60m建筑，應(yīng)勾選風(fēng)荷載參與地震組合，否則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全。
（3）局部風(fēng)控構(gòu)件
對于風(fēng)控的建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載的增加或減少對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力影響較大，比如斜屋面、屋頂構(gòu)架層、頂部廣告牌等需考慮風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響。
（4）山地建筑的風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）第8.2.2條，山地建筑應(yīng)考慮地形條件的修正，對于山峰和山坡，修正系數(shù)應(yīng)按式8.2.2計算；對于山間盆地，谷地等閉塞地形，修正系數(shù)可在0.75~0.85選�。粚τ谂c風(fēng)向一致的谷口，山口，修正系數(shù)可在1.20~1.50選取。
（5）風(fēng)壓取值
在某些地區(qū)，不同規(guī)范給出的基本風(fēng)壓會不一致。比如不同規(guī)范對廣州南沙的基本風(fēng)壓規(guī)定見表2-1。從表2-1可知，不同規(guī)范確定的廣州南沙的基本風(fēng)壓相差較大，但從風(fēng)壓分布圖看南沙的基本風(fēng)壓在0.6kN/㎡與0.65kN/㎡之間，綜合判斷認為對于普通的多層結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓可取0.6kN/㎡，對于高層結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓可取0.65kN/㎡。因此當?shù)胤綐藴实幕撅L(fēng)壓高于國家標準的基本風(fēng)壓時，宜按地方標準的基本風(fēng)壓執(zhí)行。
表2-1廣州南沙的基本風(fēng)壓
（6）規(guī)范風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載對比分析（略）
可參考《高層建筑結(jié)構(gòu)計算分析實用指南》。
（7）結(jié)構(gòu)阻尼比
風(fēng)振舒適度評價中的阻尼比取值是風(fēng)振下結(jié)構(gòu)舒適度評價的關(guān)鍵問題之一。結(jié)構(gòu)阻尼比的一般變化規(guī)律有：
1）結(jié)構(gòu)基本周期長時，阻尼比較小；
2）隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)阻尼比減�。�
3）填充墻少的結(jié)構(gòu)的阻尼比小于填充墻多的結(jié)構(gòu)的阻尼比；
4）建筑結(jié)構(gòu)短方向阻尼比小于長方向的阻尼比；
5）小振幅時的阻尼比小于大振幅時的阻尼比；
6）小應(yīng)力水平下的阻尼比小于大應(yīng)力水平下的阻尼比。
風(fēng)振舒適度問題涉及的結(jié)構(gòu)一般是高度高，基本周期長，而且風(fēng)作用下振幅小、應(yīng)力水平也比較低，因此風(fēng)振舒適度評價時所采用的阻尼比遠小于常規(guī)結(jié)構(gòu)強度計算時采用的阻尼比。圖2 1為某高層結(jié)構(gòu)采用不同阻尼比計算的樓層剪力，由圖可知，阻尼比越大，樓層剪力越小，當阻尼比增大一倍時，樓層剪力減小約6%。
（8）地面粗糙度對結(jié)構(gòu)變形的影響
地面粗糙度是描述該地面上不規(guī)則障礙物分布狀況的等級，地面粗糙度對結(jié)構(gòu)整形性能影響很大，圖2 2為不同地面粗糙度類別的層間位移角，從圖可知，地面粗糙度越大，層間位移角越小，B級粗糙度比A級粗糙度變形小約10%，C級粗糙度比B級粗糙度變形小約20%，D級粗糙度比C級粗糙度變形小約25%。
（9）連梁剛度折減問題
根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.2.1條文說明,“僅在計算地震作用效應(yīng)時可以對連梁剛度進行折減，對如重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計算不宜考慮連梁剛度折減。有地震作用效應(yīng)組合工況，均可按考慮連梁剛度折減后計算的地震作用效應(yīng)參與組合”。
相對于地震作用來說，風(fēng)力作用持續(xù)時間較長，往往達幾十分鐘，甚至幾個小時，因此不能要求連梁通過塑性變形將內(nèi)力轉(zhuǎn)移到其他尚未屈服的構(gòu)件上。結(jié)構(gòu)計算時剛度折減愈多，就意味著風(fēng)荷載作用下裂縫可開展得愈大，如發(fā)生強大陣風(fēng)時，連梁塑性鉸會過早出現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)的聯(lián)肢墻剛度出現(xiàn)較大削弱，甚至成為各個獨立的單肢墻受力。在長時間的風(fēng)荷作用下，這無疑對建筑結(jié)構(gòu)安全是很不利的。故而為了避免連梁在風(fēng)荷載作用下裂縫開展過早過大，剛度折減系數(shù)應(yīng)取較大值。
根據(jù)各種不同荷載作用下取不同剛度折減系數(shù)的方法,在地震荷載作用下,連梁剛度折減系數(shù)可取0.5~0.8；在風(fēng)荷載作用下，折減系數(shù)可取0.80~1.0；在豎向荷載作用下，折減系數(shù)取1.0(即不折減)。
廣州良業(yè)大廈地上塔樓2建筑面積4.7萬㎡，塔樓3建筑面積6.4萬㎡。塔樓建筑高度152.7m，地上35層，如圖3 1所示。
本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為II類，基本風(fēng)壓為0.5kN/㎡，地面粗糙度為C類，體型系數(shù)根據(jù)風(fēng)洞試驗確定。
圖3 1建筑效果圖
（1）風(fēng)洞模型簡介
風(fēng)洞模型比例為1:300，50年一遇基本風(fēng)壓為0.5kPa，10年一遇風(fēng)壓為0.3kPa，承載力計算時，阻尼比取為5%，加速度計算時，阻尼比取為2%，風(fēng)場類別采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009中規(guī)定的B類地貌風(fēng)剖面。風(fēng)洞試驗照片和風(fēng)向角示意圖分別見圖3 2和圖3 3。
因風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)是按B類地面粗糙度為依據(jù)確定的，C類的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)范B類與C類風(fēng)壓高度系數(shù)的比例關(guān)系確定。
（2）樓層等效靜風(fēng)荷載對比
風(fēng)致動力響應(yīng)分析采用了風(fēng)洞試驗時程數(shù)據(jù)得到的結(jié)構(gòu)荷載譜密度來計算結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的非擬定常方法，風(fēng)洞的等效靜力剪力與按規(guī)范計算的剪力在塔樓底部處的對比如表3-1，兩向按風(fēng)洞數(shù)據(jù)計算的基底剪力均比規(guī)范計算的要小。
（3）風(fēng)荷載下的層間位移角
特定的風(fēng)向角下，結(jié)構(gòu)樓層的等效荷載包括Fx，F(xiàn)y兩個平動分量和Mz一個扭轉(zhuǎn)分量，考慮到各荷載分量的非同時性，風(fēng)洞試驗給出的組合系數(shù)如表3-2。
根據(jù)單塔計算結(jié)果，各工況下層間位移角的計算結(jié)果如下表3-3及圖3 4~圖3 7，塔樓2計算的Y向?qū)娱g位移角在每一層基本上比風(fēng)洞計算的大，塔樓2的X向和塔樓3的計算結(jié)果基本上都比風(fēng)洞計算的小，風(fēng)洞試驗和規(guī)范計算的最大層間位移角均滿足規(guī)范要求。
從圖3 4可知，塔樓2X向規(guī)范的層間位移角比風(fēng)洞試驗的大，層間位移角最大值按規(guī)范取。從圖3 5可知，塔樓2Y向規(guī)范的層間位移角比風(fēng)洞試驗的大，層間位移角最大值按規(guī)范取。
從圖3 6可知，塔樓3X向15層以上規(guī)范的層間位移角比風(fēng)洞試驗的大，15層以下規(guī)范的層間位移角比風(fēng)洞的小，層間位移角最大值取規(guī)范和風(fēng)洞試驗的包絡(luò)值。從圖3 7可知，塔樓3Y向規(guī)范的層間位移角比風(fēng)洞試驗的大，層間位移角最大值按規(guī)范取。
華策國際大廈地上建筑面積73748平方米，地下建筑面積40932平方米。項目包括兩棟辦公塔樓和一座商業(yè)裙房，其中商業(yè)裙房4層，建筑高度24m；東塔地上26層，建筑高度119.80m，西塔地上15層，建筑高度70.90m；地下商業(yè)及車庫5層，如圖4 1所示。
本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為III類，基本風(fēng)壓為0.85kN/㎡，地面粗糙度為A類，體形系數(shù)依據(jù)風(fēng)洞試驗確定。
圖4 1建筑剖面圖
由于本工程風(fēng)荷載較大，且特征周期較長，地震內(nèi)力也較大，為了提高豎向抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度，結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻及框架柱布置如圖4 2所示。
圖4 2結(jié)構(gòu)平面布置
按10年一遇的風(fēng)荷載取值計算結(jié)構(gòu)頂點最大加速度，根據(jù)風(fēng)洞試驗和規(guī)范計算得到樓層頂點最大加速度，分別見表4-1和表4-2所示。風(fēng)洞試驗和規(guī)范計算的結(jié)果都表明，滿足《高規(guī)》3.7.6結(jié)構(gòu)頂點最大加速度限值0.25m/s2，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下舒適度滿足要求。
