目前在**，超高層建筑的數量正以前所未有的速度在增加。為確保一棟幾百上千米的摩天大樓屹立不倒，其結構體系除了要承受得住自身的重力外，更重要的是要抵擋得住地震和臺風(fēng)的考驗。那么，什么樣的超高層建筑和結構設計才是好的設計？
要討論超高層建筑的結構設計，首先當然要從它要承受的荷載說(shuō)起。超高層結構抗風(fēng)抗震問(wèn)題，實(shí)際上是結構動(dòng)力學(xué)隨機振動(dòng)問(wèn)題，在分析這些動(dòng)力隨機荷載時(shí)，我們應該從時(shí)域和頻域這兩個(gè)角度對其進(jìn)行分析。
首先討論一下地震作用，為了說(shuō)明問(wèn)題，通過(guò)MATLAB計算了所選地震波的功率譜，如下圖所示：
兩段地震波時(shí)程下面的兩個(gè)圖分別用頻率和周期的方式表示，實(shí)際上是同一個(gè)譜，這樣做是因為后面便于與規范反應譜比較。
從上圖中我們可以比較清楚地了解到地震作用在時(shí)域和頻域上的特性。在時(shí)域上來(lái)看，地震波短時(shí)間內迅速增大，但持續時(shí)間短，大概在15s左右。而從頻域上看，地震波能量的主要周期范圍在0.1~1.5s之間，周期較短。
這個(gè)譜其實(shí)與抗震規范里的反應譜類(lèi)似，只是這里是激勵譜，規范里的反應譜應該是對不同周期下結構的加速度響應譜，并做了概況和總結并取其包絡(luò )，當然也是可以根據地震作用的功率譜計算出來(lái)的（據動(dòng)力學(xué)課本上描述是用時(shí)域方法Duhamel積分求出，其實(shí)當然也可以用頻域方法求出），所以形狀相似。
看了下規范，Tg大為0.9s，與上面分析相對應。
分析完地震波之后，我們來(lái)看看風(fēng)荷載。特選取CAARC標準建筑模型的風(fēng)洞試驗數據進(jìn)行了類(lèi)似地分析，請看下面三個(gè)圖：
上面三個(gè)圖給出的分別是CAARC標準建筑模型三個(gè)方向的基底彎矩時(shí)程和功率譜（順風(fēng)向，橫風(fēng)向和扭轉方向分別對應My，Mx和Mz）。
從時(shí)域上看，風(fēng)荷載當然是持續不斷地吹的，作用時(shí)間較長(cháng)并且有一定的周期性。從頻域上看，順風(fēng)向風(fēng)荷載隨著(zhù)周期的增大逐漸增大，沒(méi)有明顯的峰；橫風(fēng)向有明顯的峰，峰值對應的頻率在7~9s之間，特征周期較長(cháng)（要注意這只是CAARC模型的，不同外形的建筑有所不同，不過(guò)形狀規整且高寬比不***的超高層建筑大概也在這個(gè)范圍）；扭轉方向風(fēng)荷載也隨周期增大而增大，且也具有峰，但相比其他兩個(gè)方向的荷載較小。
至于橫風(fēng)向和扭轉方向功率譜的峰的行成機理與空氣流動(dòng)的漩渦脫落現象有關(guān)，其實(shí)作用在某個(gè)建筑上的風(fēng)荷載，不**與這個(gè)建筑所在的風(fēng)場(chǎng)地貌有關(guān)，也與這個(gè)建筑的建筑外形有關(guān)，這也是風(fēng)與地震不同的地方。在這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下，風(fēng)吹過(guò)建筑后，會(huì )在建筑后方兩端產(chǎn)生漩渦，而這兩個(gè)漩渦往往以一定地頻率交替脫落的，這個(gè)頻率就是上面橫風(fēng)向風(fēng)荷載功率譜峰值所對應的頻率，漩渦脫落現象也是這個(gè)峰形成的原因。
在對荷載有了一定的認識之后，我們再對荷載對結構的影響進(jìn)行討論。由結構動(dòng)力學(xué)我們知道，每個(gè)結構體系都有自己的自振頻率。在對結構進(jìn)行模態(tài)分析之后，我們可以得到結構不同振型下的自振頻率，在眾多振型中，往往是前幾階起控制作用。當這些起控制作用振型所對應的自振周期與上面分析的荷載的特征周期相等或足夠接近時(shí)，結構將會(huì )在荷載的作用下發(fā)生共振。共振將會(huì )產(chǎn)生巨大的力，對結構造成驚人的破壞！
抗震規范中為了考慮結構共振的影響提供了一個(gè)反應譜，根據不同的場(chǎng)地類(lèi)型和結構自振周期來(lái)確定地震力的大小?，F在我們再大膽地往前走一步，把風(fēng)荷載的譜和地震結合在一起，放在同一個(gè)坐標系中，在這里，我們即便把它稱(chēng)為“風(fēng)震反應譜”吧，如下圖：
參考CAARC標模的風(fēng)荷載譜，其實(shí)這個(gè)譜跟建筑外形有很大關(guān)系，對于形狀規整上下沒(méi)有多大變化的超高層建筑大概是這個(gè)樣子的。圖中風(fēng)和地震數量上的大小關(guān)系還有待商榷，這里只提出大概的概念，主要看兩種荷載在周期上的分布。
從圖中我們看到，地震作用的主要作用周期范圍在0.1~1s之間，而風(fēng)荷載主要作用周期比較長(cháng)，順風(fēng)向隨周期增大而增大，橫風(fēng)向大約在7~9s之間。
至此，你有沒(méi)有一種想法，這就給結構設計提供了一個(gè)很好地參考，在對超高層結構體系進(jìn)行設計的時(shí)候，如何可以把結構的自振頻率控制在兩個(gè)峰之間的低谷附近，那么這個(gè)結構所受的地震和風(fēng)荷載將**減小，將是一個(gè)十分明智的決策！
基于上面的討論和分析，斗膽地對超高層的設計總結出兩點(diǎn)策略
1）對建筑體形的優(yōu)化
上面提到，建筑所受風(fēng)荷載與建筑外形有關(guān)，所以我們完全可以對建筑外形進(jìn)行有意識地優(yōu)化以減少所受風(fēng)荷載。
其實(shí)上面“風(fēng)震反應譜”中橫風(fēng)向風(fēng)荷載的峰是可以通過(guò)對外形的處理消掉和減弱的。通過(guò)對建筑體形進(jìn)行一定的處理，如扭轉和增加錐度，可以有效減少所受風(fēng)荷載。另一方面，通過(guò)增加多邊形邊數或者切角或者做成圓角，可以有效改善超高層建筑附近的風(fēng)環(huán)境。其實(shí)在設計時(shí)，除了結構所受風(fēng)荷載外，風(fēng)環(huán)境也是一個(gè)很重要的考慮因素。你有沒(méi)有嘗試過(guò)從某些超高層建筑底下走過(guò)，是不是發(fā)現風(fēng)特別大（國外已經(jīng)有案例由于風(fēng)太大使一位奶奶摔倒然后把設計方告上了法庭），這就是超高層建筑對風(fēng)環(huán)境的影響。
因此可以對建筑體形進(jìn)行扭轉、增加錐度和切角等措施進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)外形優(yōu)化后的超高層建筑，橫風(fēng)向的峰**減弱或沒(méi)了，其“風(fēng)震反應譜”可能會(huì )變成下面這個(gè)樣子：
所以，對建筑進(jìn)行體形優(yōu)化對抗風(fēng)十分有利，但從抗震的角度看，形狀也不能太復雜，變化不能太多，結構平面的質(zhì)心和剛心還是要盡量靠近或重合等等。需要相互協(xié)調。
2）結構自振周期的調整
建筑的外形被設計出來(lái)之后，我們便得到這個(gè)建筑的“風(fēng)震反應譜”。從圖上看，當然你可以把結構做得非常剛，使自振周期在0.1s以下，這樣地震和風(fēng)荷載都很小，然而現實(shí)中的超高層建筑是不大可能做成這樣的，要做成這么剛也不知道要耗費多少材料。而通過(guò)增加結構的柔度，可以有效減少地震力，大家都聽(tīng)過(guò)柔性抗震了吧，這里就不展開(kāi)說(shuō)了。但是考慮到抗風(fēng)的情況，功率譜隨周期增大而增大，所以也不能太柔，我們應該選擇通過(guò)有意識地對結構的振型和頻率進(jìn)行調整，使得自振周期落在反應譜的低谷附近，將十分有效地減少所受地震和風(fēng)荷載。
這里說(shuō)得簡(jiǎn)單，實(shí)際上操作起來(lái)很難，要考慮很多的因素。很多超高層建筑結構其實(shí)都比較柔，但是也要想方設法使自振周期落在反應譜低谷。
回到文章開(kāi)頭提出的問(wèn)題：
什么樣的超高層建筑和結構設計才是好的設計？
大概就是這樣：
建筑體形要有變化，但不能變化太多；結構體系要柔，但不能太柔~~
原文鏈接http://www.shhorse.com/Article/cgcjzkzhkf_1.html
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