高層建筑的結構固有頻率正逐步接近強風的頻率。因此對高層建筑而言，必須了解其結構對風荷載引起的振動的實際反應，從而確定在受到風荷載影響時，高層建筑結構的薄弱環節。

1.風荷載研究的現狀

建筑結構的抗風是工程結構設計必須面對的重大課題。任何建筑物、構筑物的設計，尤其是高層建筑這類柔性結構的設計，必須從設計上保證建筑物在其設計壽命中的抗風能力，即在風荷載作用下的安全性、實用性和可靠性。經過半個多世紀的發展，建筑結構風荷載問題的研究已經建立了理論基礎，可以滿足一般結構的抗風設計要求。而隨著建筑結構高大化的趨勢，使結構風荷載研究面臨新的挑戰，需要對現行理論和方法進行精細化的改進和發展，同時開展有效風振控制方法的研究，為解決大型復雜結構的風荷載問題做好準備。這里所說的風振問題，即風和結構的相互作用，特別是動力風效應。

2.建筑結構抗風的理論基礎

結構抗風理論基礎是建筑空氣動力學。建筑空氣動力學是由流體力學、結構動力學、隨機振動、概率論、控制論等多門學科組成的一門邊緣學科。其研究方法包括理論分析、現場實測和風洞試驗。流體的慣性力與粘性力之比稱為雷諾數。當雷諾數較大時，流體的流動以慣性力為主，這時與流體接觸的任何固體表面的邊界層之間存在很大的能量交換，十分紊亂，該流體成為紊流或湍流。研究表明：在大氣邊界層底層強湍流場中，湍流結構特性的模擬比雷諾數模擬更具重要性。在風洞中進行建筑結構風荷載和風響應試驗時，要滿足平均風速廓線和湍流結構性相似。要使風洞模擬的大氣邊界層流動與實際大氣中的流動情況完全相似，必須滿足幾何相似、運動相似、動力相似、熱力相似以及邊界條件相似等，這是不可能的。

只能針對具體的研究對象做到部分或近似模擬大氣邊界層。風洞試驗另一個問題是如何將試驗數據用于對工程的評估。傳統的湍流模型在處理外形繞流問題時，對駐點及附近區域流場的湍流動能預測過高；在流體前緣，流場的渦量卻很低。在求解方程時，收斂困難、穩定性差，其數值計算方法需提高精度。現場測試是一種直接的研究方法。可以較為真實地對工程模擬的結果進行驗證，但是要花費大量的人力、物力和時間。特別是由于現場測試時，氣象條件和地形條件等難以控制和改變。使用這種方法進行規律性研究是困難的。目前作為資料的強風作用觀測記錄的數據量有限，還不能在實際工程的風荷載振動計算中普遍應用。

3.對結構風荷載的分析高層建筑在風荷載作用下有如下幾種破壞形式：

（1）主體結構開裂或損壞。

（2）層間位移引起非承重墻開裂。

（3）局部風壓過大引起玻璃等裝飾物結構破壞。

（4）建筑物長期的頻繁大幅度擺動使居住者感到不適。

（5）長期的風致震動引起結構疲勞破壞。這是由于風荷載是一種隨機荷載，其荷載大小由風速大小來決定。某一地區某次風速的大小是隨機變量，同一次風的風速因建筑物所在地貌、測量高度、測量時間等因素而變化，不重復出現。一般把一定的地貌條件、測量時距和規定的概率條件下確定的風速稱為基本風速，相應的風壓稱為基本風壓。由于建筑物同一個面上各點的壓力系數并不相等，常取一個面上各點壓力系數的平均值作為該面的體型系數。

其特點是：建筑物迎風面一般為正壓力。壓力值在該面中間部分較大，邊緣部分較小；建筑物背風面受負壓力。整個背面的負壓力分布較為均勻；當風平行于建筑物的側面時，兩側通常為負壓力；除了形狀的影響外，建筑物的各向尺寸比例也影響體型系數的取值，一般高寬比越大，體型系數也越大。風荷載包括平均風對結構的靜力荷載和脈動風對結構的動力荷載。在工程結構設計時，可以通過確定平均風的最大值來進行設計，而如何確定設計最大風速，并考慮其風向概率對工程結構的安全性和經濟性的影響，必須要有長年的氣象記錄。脈動風荷載是隨機荷載，它使結構產生隨機振動。要分析結構在脈動風作用下的隨機響應，必須了解脈動風的概率特性，包括其概率分布、功率譜、空間相關性等；由于目前缺少對脈動風運動的實測數據，在工程結構設計中選用脈動風參數（一定保證率的脈動風壓與平均風壓之比）時，一般偏于保守。脈動風本質上是三維風紊流，包括相互正交的順風向、橫風向水平紊流和垂直方向紊流。對一般結構而言，橫風與垂直方向的風紊流的效應比順風向紊流的效應要小得多。工程結構的設計者要預計該結構在其使用壽命內可能遇到的最大風荷載，必須研究結構所在地區風荷載的統計規律，這就要用概率論方法來進行分析。在實際問題中，通過知道隨機變量的幾個主要特征，就可以用少數特征值來描述隨機變量的主要特點。高層建筑結構的動力特性是其自振頻率，阻尼比和振型。對于抗風計算來說，工程上的結構抗風分析一般都是只考慮其某一個方向的頻率的影響，這種分析不利于研究作用于結構物表面的時間性影響；不利于有效考慮結構幾何非線性、材料非線性影響；不利于對結構的舒適度和局部疲勞進行分析；不利于實施結構振動控制研究。而工程人員希望更直接地了解結構特性；在不進行大量結構數學模型簡化工作的前提下直接計算出高層建筑位移的最大值。尤其是在缺少實測或實驗資料時，可以通過簡化計算方法與精確的分析方法進行比較驗證。風速—時程曲線是通過對結構進行時域范圍內的風動力分析得到的。工程上的結構抗風分析要進行較精確的非線性分析，只能采用時域法（直接在時間域內對系統動態過程進行研究的方法。控制系統在一定的輸入下，根據輸出量的時域表達式，分析系統的穩定性、瞬態和穩態性能）。

由于時域分析是直接在時間域中對系統進行分析的方法，所以時域分析具有直觀和準確的優點。時域法在結構抗風計算中有很多優點，盡管時域分析費時，但隨著計算技術的不斷發展，這個問題是可以解決的。人工模擬風荷載可以考慮場地、風譜特征、建筑物的特點等條件的隨意性，使模擬得到的風荷載盡量接近結構的實際風力。