1. 引言
高层钢结构建筑的发展现状：随着现代城市化的加速推进，高层钢结构建筑因其自重轻、施工周期短及抗震性能优越等特点，在城市建设中占据了重要地位[5]。近年来，我国高层钢结构建筑的数量和规模持续增长，已成为城市天际线的重要组成部分。尤其是在经济发达地区，超高层建筑的结构设计逐渐向复杂化、多样化方向发展，体现了建筑技术与艺术的高度融合[7]。然而，随着建筑高度的不断增加，结构设计面临的挑战也日益凸显，特别是在抗风与抗震性能优化方面，这为高层钢结构建筑的进一步研究提出了更高的要求。
风荷载对高层钢结构建筑的影响：风荷载作为高层钢结构建筑的主要侧向荷载，对建筑的安全性和使用舒适性具有显著影响[9]。由于高层钢结构建筑的自振周期较长且阻尼较小，其高柔特性使其对风荷载尤为敏感。强风作用下，建筑不仅需要承受较大的水平力，还可能因风振效应产生过大的加速度响应，从而影响居住者的舒适度甚至结构的安全性。此外，风荷载的随机性和复杂性进一步增加了设计难度，因此，如何有效应对风荷载成为高层钢结构建筑设计中亟待解决的关键问题。
研究目的与意义：研究高层钢结构建筑的抗风性能数值模拟与风振控制策略具有重要的理论价值和实践意义[1][4]。通过数值模拟技术，可以精确评估建筑在不同风场条件下的受力情况和响应特征，为结构设计提供科学依据。同时，风振控制策略的研究能够显著提升建筑的抗风能力，降低风荷载对结构的不利影响，从而保障建筑的安全性与可靠性。在当前超高层建筑快速发展的背景下，深入开展相关研究不仅有助于完善建筑抗风设计理论，还能为实际工程提供技术支持，推动高层钢结构建筑的可持续发展。
2. 高层钢结构建筑抗风性能数值模拟技术
2.1 数值模拟软件选择
在高层钢结构建筑抗风性能的研究中，数值模拟软件的选择至关重要。目前常用的数值模拟软件包括FLUENT、ANSYS和CFD（Computational Fluid Dynamics）等。这些软件各具特点，适用于不同的研究场景。例如，FLUENT以其强大的流体动力学求解能力著称，特别适合于复杂流场下的风荷载分析[11]。而ANSYS则在结构力学分析方面表现突出，能够高效处理高层建筑主体结构的风振响应问题[4]。此外，基于CFD方法的软件如STAR-CCM+也广泛应用于风工程领域，其优势在于能够精确捕捉气流与建筑表面之间的相互作用[3]。对于高层双塔建筑或群体建筑的风效应研究，CFD/FEM单向耦合分析框架被证明是一种有效的工具，可结合刚度映射算法实现风荷载与结构响应的协同评估[3]。因此，在选择数值模拟软件时，需根据具体研究目标及建筑类型综合考虑其适用性。
2.2 模型建立方法
高层钢结构建筑数值模拟模型的建立通常包括几何建模、网格划分以及边界条件定义等多个步骤。首先，几何建模阶段需要基于实际建筑的设计图纸构建三维模型，确保模型能够准确反映建筑的几何特征，如截面形状、高度和宽度等参数[11]。其次，网格划分是数值模拟的关键环节之一，直接影响到计算精度与效率。一般而言，采用非均匀网格划分策略可以在保证计算精度的同时减少计算量，特别是在建筑表面附近区域加密网格以捕捉流场细节[3]。此外，边界条件的设定也不容忽视，例如入口边界需设定风速剖面和湍流特性，出口边界则需设置自由出流条件以避免回流干扰[2]。对于复杂建筑群的风效应研究，还需考虑建筑间的气动干扰效应，这要求模型具备足够的空间分辨率以捕捉尾流和涡旋的发展规律[3]。通过上述方法建立的数值模型能够为后续的抗风性能分析提供可靠的基础。
2.3 参数设定
在高层钢结构建筑抗风性能的数值模拟中，关键参数的合理设定对模拟结果的准确性具有重要影响。这些参数主要包括风速、风向、结构材料特性以及湍流模型等。风速参数的设定通常基于Davenport脉动风速谱或相关脉动风速AR模型，通过自回归模型生成具有随机性的脉动风速时程曲线，以模拟实际风场的动态特性[4]。风向角的设定则需考虑建筑所在地的主导风向及其变化范围，以便全面评估建筑在不同风向条件下的受力情况[2]。此外，结构材料参数的设定需依据实际工程材料属性，包括弹性模量、屈服强度和密度等，以确保模拟结果能够真实反映结构的力学行为[11]。湍流模型的选取同样至关重要，雷诺应力模型（RSM）因其能够更好地描述复杂流场中的湍流特性而被广泛应用于高层建筑风荷载研究[11]。通过合理设定这些关键参数，可以显著提高数值模拟的可靠性与实用性。
2.4 数值模拟案例分析
通过具体案例可以直观展示数值模拟在评估高层钢结构建筑抗风性能中的应用价值。例如，文献[2]以山西省阳泉市某高层建筑为研究对象，利用数值模拟方法获得了风荷载的时程曲线，并分析了其层间位移、基底剪力及风振系数等动态响应参数。研究结果表明，基于相关脉动风速AR模型的风速时程模拟功率谱与目标功率谱呈现出良好的一致性，且高层建筑的顺风向层间位移角随楼层高度呈现先迅速增加后趋于稳定的变化趋势[2]。另一案例来自文献[6]，该研究针对沿海强风环境下的钢结构超高层建筑，使用FLUENT软件构建了模拟分析模型，并添加了强风荷载以评估建筑的极限应力与变形规律。研究发现，在顺风条件下，建筑背风面的位移较小，而横风条件下迎风面的位移更为显著[6]。这些案例不仅验证了数值模拟技术在高层钢结构建筑抗风性能研究中的有效性，也为实际工程设计提供了重要的参考依据。
3. 高层钢结构建筑风振控制策略
3.1 传统被动控制方法
3.1.1 调谐质量阻尼器
调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）是一种通过附加质量块与主体结构形成调谐系统，以吸收结构振动能量的被动控制装置。其基本原理是利用附加质量的惯性力对主体结构施加反向作用力，从而降低结构在特定频率下的振动响应[4]。在高层钢结构建筑中，TMD能够有效减小风荷载引起的结构振动，尤其是在频率接近结构固有频率时表现出显著的控制效果。然而，TMD的局限性在于其对频率敏感性较高，当实际建筑物的运营频率与设计频率偏离较大时，其减振效果将显著下降[13]。此外，对于双向刚度差异较大的结构，TMD可能仅在一个方向上发挥作用，而在另一方向上效果有限甚至产生负面影响。
3.1.2 耗能支撑
耗能支撑是一种通过消耗地震或风荷载输入结构的能量来减小结构振动的被动控制装置。其工作原理主要依赖于耗能材料的非线性变形特性，如金属屈服、摩擦或黏滞阻尼等。在高层钢结构建筑中，耗能支撑通常与其他结构构件共同作用，既能在小震或低风速下提供额外的抗侧刚度，又能在强震或高风速下通过塑性变形或阻尼效应耗散能量[8]。研究表明，铅-黏滞复合阻尼墙和屈曲约束支撑等新型耗能支撑在实际工程中表现出良好的应用效果，不仅能有效减小风荷载下的层间位移角，还能显著提升结构的舒适度性能[8]。从经济性角度来看，耗能支撑的初始成本较高，但其长期效益显著，尤其是在频繁遭受风荷载或地震作用的区域。
3.2 新兴主动与半主动控制技术
3.2.1 主动控制技术
主动控制技术通过外部能量输入实时调整结构的动力响应，以达到减振目的。其基本原理是利用传感器监测结构振动状态，并通过控制器计算最优控制力，由作动器施加于结构上。在高层钢结构建筑风振控制中，主动控制技术具有较高的适应性和灵活性，能够根据实时风荷载变化动态调整控制策略，从而实现对结构振动的精确控制[13]。然而，主动控制技术的应用面临诸多挑战，包括高昂的硬件成本、复杂的控制系统设计以及能源消耗等问题。此外，系统的可靠性和鲁棒性也是实际工程中需要重点考虑的因素。
3.2.2 半主动控制技术
半主动控制技术结合了被动控制的经济性和主动控制的灵活性，通过实时调整控制参数实现对结构振动的有效抑制。其基本原理是在不依赖外部能量输入的情况下，根据结构振动状态动态调整控制装置的参数，如阻尼系数或刚度。在高层钢结构建筑中，半主动控制技术表现出显著的潜力，特别是在提升建筑抗风性能方面。例如，磁流变阻尼器作为一种典型的半主动控制装置，能够根据风荷载变化快速调整阻尼力，从而有效减小结构振动响应[13]。相比主动控制技术，半主动控制技术具有更低的能耗和更高的可靠性，同时避免了复杂的外部能量供应问题，因此在实际工程中更具可行性。
3.3 风振控制策略工程案例分析
结合具体工程案例，分析不同风振控制策略在高层钢结构建筑中的应用效果与经济性。例如，文献[4]中针对20层钢结构Benchmark模型的研究表明，隔震与TMD混合控制策略在顺风向脉动风载作用下表现出优异的控制效果，能够有效弥补单一控制策略的缺陷。类似地，文献[8]提出了一种适用于高层钢结构住宅的复合减震设计方法，通过结合铅-黏滞复合阻尼墙和无屈曲钢板阻尼墙，实现了风振与地震作用下的多重保护。这些案例表明，合理选择与组合风振控制策略能够显著提升高层钢结构建筑的抗风性能，同时兼顾经济性与实用性[4][8]。
4. 影响高层钢结构建筑抗风性能与风振控制效果的因素
4.1 建筑结构形式
高层钢结构建筑的抗风性能受其结构形式的影响显著。不同的结构形式在风荷载作用下的响应特性存在差异，因此选择合适的结构形式对于提升建筑的抗风能力至关重要。例如，圆形、椭圆形以及三角形的结构外形能够有效减少风压数值，这是因为这些形状相较于其他不规则形状具有更优的空气动力学性能[7]。此外，对称平面和对称结构布置的设计方式可以显著降低风力偏心产生的扭转影响，从而提高结构的整体稳定性。在风振控制策略方面，结构形式与其适配性密切相关。例如，调谐质量阻尼器在框架结构中表现出良好的控制效果，而在剪力墙结构中可能需要调整参数以适配其刚度分布特性[7]。因此，在实际设计中，需根据建筑的功能需求与地理环境，综合考虑结构形式与风振控制策略的匹配性，以实现最佳的抗风性能。
4.2 材料特性
结构材料的特性对高层钢结构建筑的抗风性能及风振控制效果起着决定性作用。材料的强度和刚度直接影响建筑在风荷载作用下的变形能力和承载能力。高性能混凝土、自修复混凝土等新型材料因其优异的力学性能和耐久性能，逐渐成为超高层建筑结构设计的首选材料[12]。这些材料不仅能够提高建筑物的整体稳定性，还能在一定程度上减轻结构自重，从而降低风荷载的作用效应。此外，材料特性还与风振控制策略的实施效果密切相关。例如，主动控制技术对结构材料的动态响应特性要求较高，而半主动控制技术则更多地依赖于材料的可调节性与适应性[7]。因此，在高层钢结构建筑设计中，应优先选用具有良好力学性能与耐久性能的材料，并结合风振控制策略的需求进行优化配置，以提升建筑的综合抗风性能。
4.3 地理环境
地理环境是影响高层钢结构建筑风荷载与风振响应的重要因素之一。地形、地貌以及气候条件的差异会导致风荷载的分布特征发生变化，进而影响建筑的抗风性能。例如，沿海地区由于受到台风等强风天气的影响，风荷载的强度和频率显著高于内陆地区，这对建筑的抗风设计提出了更高的要求[6]。此外，复杂的地形地貌如山地、河谷等区域会加剧风场的湍流特性，导致建筑表面风压分布不均匀，从而增加风振响应的复杂性。研究表明，顺风条件下建筑背风面位移较小，而横风条件下迎风面位移较大，这种差异与地理环境密切相关[6]。因此，在高层钢结构建筑的设计过程中，需充分考虑地理环境对风荷载的影响，结合风洞试验与数值模拟技术，制定针对性的抗风设计方案，以确保建筑在不同地理环境下的安全性和可靠性。
5. 结论与展望
5.1 研究结论
本研究通过数值模拟技术对高层钢结构建筑的抗风性能进行了深入分析，并结合多种风振控制策略探讨了其在实际工程中的应用效果。研究表明，数值模拟技术能够有效评估不同风场条件下高层钢结构建筑的受力情况和响应特征，为优化建筑设计提供了科学依据。在风振控制策略方面，传统被动控制方法如调谐质量阻尼器和耗能支撑在提升建筑抗风性能方面具有显著作用，而新兴主动与半主动控制技术则展现出更大的潜力与挑战。研究成果不仅丰富了高层钢结构建筑抗风设计的理论体系，还为实际工程设计提供了重要的指导意义，有助于提高建筑的安全性和可靠性。[5][7]
5.2 未来展望
随着高层建筑结构的智能化与信息化发展，未来高层钢结构建筑抗风性能数值模拟技术有望在多物理场耦合分析、精细化建模以及实时监测与反馈控制等方面取得突破。同时，风振控制策略将更加注重智能化与可持续性，例如基于人工智能的主动控制技术以及结合绿色建材的被动控制方法。此外，跨学科研究将成为推动高层钢结构建筑抗风性能提升的重要方向，特别是结合气象学、材料科学和计算机科学等领域的研究成果，以实现更加高效、经济的抗风设计。[5]
参考文献
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作者简介：姜志军（1969—），男，汉族，河北唐山人，本科，研究方向为建筑工程。
