高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计研究

一、引言

在城市化浪潮中，土地资源日益稀缺，推动建筑向高空拓展。据世界高层建筑与都市人居学会 2024 年度报告显示，截至 2023 年，全球超 200米高层建筑数量持续攀升。钢结构凭借轻质高强、施工周期短、空间利用率高及可回收利用等特性，在高层建筑领域应用广泛。但高层建筑因高度大、质量轻，对风荷载与地震作用极为敏感。强风与地震易致使结构产生大幅位移、加速度，甚至引发破坏，严重威胁生命财产安全。如 2022 年某沿海城市遭遇强台风，部分高层建筑钢结构出现构件变形、连接松动等状况。故而，开展高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计研究，对保障建筑安全、降低灾害损失意义重大。

二、高层建筑钢结构抗风抗震性能及设计现状

2.1 力学响应与相互影响

风荷载作为高层建筑钢结构主要水平荷载，分为平均风与脉动风。平均风作用时间长，主要引发结构静力响应，使结构产生较大侧向位移；脉动风具高频特性，会激发结构振动响应，当脉动风频率与结构自振频率相近时，易引发共振，致使结构内力与位移剧增。建筑迎风面受压，背风面与侧面受吸，这种不均匀风压力分布使结构产生弯矩、剪力与扭矩，易导致构件失效，如钢梁弯曲变形、钢柱压弯破坏、节点连接失效等。

地震作用突发且短暂，地震波使地面剧烈振动，引发高层建筑钢结构强烈振动响应。钢结构主要承受惯性力，结构质量与刚度分布对地震响应影响大，自振周期与地震波卓越周期接近时发生共振，使地震反应大幅增大。地震作用使钢结构构件产生轴力、弯矩、剪力复杂内力组合，易致钢柱失稳、钢梁弯曲、节点连接破坏，还可能引发结构扭转振动，加剧破坏程度。

抗风与抗震性能相互关联，提高抗风刚度，如增加构件截面尺寸、设置支撑体系，虽有助于抗震，但可能增大风振响应；抗震设计中的耗能减震措施，如设置阻尼器，对风振响应也有控制作用。因此，设计时需综合考量二者关系，实现结构安全。

2.2 现行设计规范与问题

我国高层建筑钢结构抗风抗震设计主要依据《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》等。抗风设计依规范参数计算风荷载标准值进行验算；抗震设计采用 “三水准、两阶段” 方法，经弹性设计与弹塑性变形验算保障性能，规范对结构体系、构件设计、节点连接等有详细规定。

然而，现行规范存在不足。风荷载与地震作用计算模型存在简化与不确定性，难以精准模拟实际受力，导致设计预估偏差。设计过程中常忽视抗风与抗震性能协同优化，难以满足综合灾害下的性能要求。超高层、复杂体型建筑的发展，对风振控制与抗震性能评估提出新挑战。

三、抗风抗震性能优化设计策略

3.1 结构体系与构件优化

合理的结构体系是提升高层建筑钢结构抗风抗震性能的核心。超高层建筑可采用框架 - 核心筒、巨型框架、筒中筒等结构体系。框架 - 核心筒体系中，核心筒承担大部分水平荷载，框架辅助支撑与传递荷载，协同工作提高结构抗侧刚度与稳定性；巨型框架体系依靠巨型柱与梁形成强大承载结构。设计时应合理布置构件，使质量与刚度分布均匀，减少扭转效应，可设置加强层、伸臂桁架、环带桁架等增强结构整体性与抗侧刚度。

构件设计需依受力特点选截面形式与尺寸。钢柱承受较大压力，可选箱型、圆形截面提高抗压稳定性；钢梁依跨度与荷载确定截面高度与宽度，优化抗弯性能。连接设计要确保节点可靠，采用高强螺栓、焊接连接时严格按规范施工。引入屈曲约束支撑、粘滞阻尼器等耗能减震构件，小震时提供刚度，大震时耗能，减小结构地震与风振响应。

3.2 材料与试验优化

材料性能直接影响结构受力，应优先选用 Q345、Q390、Q420 等低合金高强度结构钢，关键部位用高性能钢材，满足强度要求，减少钢材用量，降低结构自重。还可采用纤维增强复合材料（FRP）与钢材组合材料，如某建筑加固采用该组合技术提升承载与延性。

风洞试验模拟风压分布，获取风振数据优化抗风设计；地震模拟振动台试验模拟地震作用，验证抗震设计。试验与数值模拟结合，能更精准评估结构性能，指导优化。如某建筑通过风洞试验调整外形降低风振响应。

四、高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计的未来发展趋势

4.1 智能技术的应用

随着人工智能、大数据、物联网等智能技术的飞速发展，其在高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计中的应用前景广阔。利用人工智能技术，可建立结构抗风抗震性能预测模型，通过对大量历史数据与试验数据的学习，快速准确地预测结构在不同风荷载与地震作用下的响应，为设计决策提供支持。大数据技术可对建筑结构全生命周期内的各类数据进行收集、分析与处理，挖掘数据背后的规律，为结构的优化设计与维护管理提供依据。物联网技术则可实现对高层建筑钢结构的实时监测，通过在结构关键部位布置传感器，实时采集结构的位移、加速度、应力等数据，并将数据传输至监测中心，一旦发现结构异常，可及时采取措施进行处理，保障结构的安全。

4.2 绿色可持续发展理念的融入

在全球倡导绿色可持续发展的背景下，高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计也将越来越注重绿色可持续发展理念的融入。一方面，在结构设计中应充分考虑材料的可持续性，选用可回收利用、低能耗的建筑材料，减少对环境的影响。另一方面，通过优化结构设计，提高结构的能源效率，降低建筑在使用过程中的能耗。例如，采用自然通风与采光设计，减少对机械通风与照明系统的依赖；利用结构自身的特点，实现对太阳能、风能等可再生能源的收集与利用。此外，在结构的全生命周期内，应注重资源的循环利用，通过合理的维护、改造与拆除方案，实现建筑资源的最大化利用，减少废弃物的产生，推动高层建筑钢结构向绿色可持续方向发展。

五、结论

高层建筑钢结构的抗风抗震性能直接关系到建筑的安全与可持续发展。通过对高层建筑钢结构在风荷载与地震作用下力学响应的分析，明确了抗风抗震性能的重要性以及两者之间的相互影响。针对现行设计中存在的问题，从结构体系优化、构件设计优化、材料选用优化以及借助风洞试验与地震模拟振动台试验辅助设计等方面提出了一系列优化设计策略。展望未来，智能技术的应用、绿色可持续发展理念的融入以及多灾害耦合作用下的性能优化研究将成为高层建筑钢结构抗风抗震性能优化设计的重要发展趋势。在实际工程设计中，应充分考虑这些因素，综合运用各种优化设计方法，不断提高高层建筑钢结构的抗风抗震性能，为城市建设提供安全可靠的建筑结构。

参考文献

[1] 陈亮，等. FRP - 钢材组合材料在高层建筑钢结构加固中的应用 [J].建筑技术开发，2022， 49 （12）： 33 - 36.

[2] 赵刚，等。风洞试验在高层建筑钢结构抗风设计中的应用 [J]. 工业建筑，2023， 53 （8）： 110 - 115.