📝1. 介绍
由于其可持续性、轻质特性和建筑灵活性，木结构越来越多地用于现代建筑和基础设施项目。然而，这些特性使木结构对风载特别敏感。因此，准确考虑风载对于确保结构的安全性、适用性和长期性能至关重要。本文概述了风载对木结构的影响、关键设计考虑因素以及根据 EN 1991-1-4（欧盟标准 1）和相关国家附件进行的分析方法。
🌪️ 2. 风载特性
结构上的风载由平均风作用和波动（湍流）成分的组合决定。特别是轻型和柔性系统的木结构相比大质量的钢筋混凝土或钢结构，对动态效应更为敏感。
2.1. 主要成分
- 外部风压：作用于墙壁、屋顶和其他表面。
- 内部风压：由开口或泄漏产生；对具有大面积玻璃的轻质木结构建筑极为重要。
- 净风压：外部和内部压力之差，决定了结构构件上的实际载荷效应。
- 湍流效应：尤其在细长或高大的木质元素上，可能导致显著的载荷波动。
2.2. 典型的木结构风作用
表 1：木结构的典型风作用和结构考虑
| 结构元件 | 典型风作用 | 特别考虑事项 |
|---|---|---|
| 屋顶面板 & 檩条 | 迎风和背风的吸力上升 | 检查紧固件和板组作用 |
| 墙柱和框架 | 水平压力 + 吸力 | 需要支撑以防侧移 |
| 柱子和柱体 | 横向载荷导致弯曲 | 考虑两个轴的屈曲 |
| 胶合木/CLT 剪力墙 | 侧移和倾覆载荷 | 需要延展的锚固和板组连接 |
| 外墙饰面板 | 边缘/角落的局部吸力 | 需要高拔出力的固定件 |
🏗️ 3. 设计考虑
3.1. 载荷传递 & 结构系统
木结构依赖于支撑系统、剪力墙和板组将风载传递到基础。常见的承重系统包括：
- CLT 剪力墙系统
- 带对角支撑的木框架结构
- 带有钢或混凝土核心的混合系统
3.2. 连接细节
在风载作用下，连接件通常是关键组件：
- 紧固件必须抵抗对屋顶构件的提升力。
- 延展性和载荷重新分布对于避免脆性破坏至关重要。
- 需特别注意边缘距离、钉子/螺钉的拔出及插入强度，依据 EN 1995-1-1 要求。
3.3. 动态响应
由于质量较低，木结构建筑在波动风载下可能表现出较大的加速度：
- 舒适性标准（EN 1991-1-4 附录 B）通常支配中高层木结构建筑的设计。
- 适用性状态（例如，挠度、振动）可能比极限状态更为关键。
📌注意： 在 RWIND 中实施 气动弹性不稳定性 和 涡激振动 (VIV) 分析的计划作为未来的关键增强措施。此发展旨在扩展软件的功能，以实现更全面的动态风-结构相互作用研究，从而更准确地预测和评估风引起的灵活和细长结构的响应。
🌬️ 4. 基于 CFD 的风仿真
对于复杂的木结构，像 RWIND 这样的计算流体动力学 (CFD) 工具提供了几个优势：
- 不规则屋顶和立面的真实压力分布
- 考虑地形、地貌和湍流
- 适用于高大的木结构、中庭或自由形式结构
- 生成的分布面载荷可转移到 RFEM 进行结构分析
CFD 仿真特别适用于：
- 结构位于复杂地形（例如，森林边缘、山丘）
- 建筑形状明显偏离规范定义的情况
- 动态效应（阵风响应、涡流脱落）具有关联性
🪵 5. 木结构的特殊挑战
| 挑战 | 描述 | 典型缓解措施 |
|---|---|---|
| 轻型屋顶的提升 | 迎风/背风边缘的高吸力 | 强固锚固、檩条阻挡、板组连续性 |
| 横向支撑 | 木框架的面内刚度低 | 使用 CLT 剪力墙、对角支撑或混合核心 |
| 循环载荷下的连接 | 木质紧固件在重复加载后可能失去承载能力 | 针对疲劳设计，使用延展性钢紧固件，合理间距 |
| 湿气 & 风 | 风驱动的雨水和压力差影响耐久性 | 适当的细节设计、膜、防水排水路径 |
| 高大木结构的振动 | 轻质 → 在阵风下更高的加速度 | 调整质量、阻尼系统、更硬的板组 |
💡 工程师的实用建议
- 始终仔细检查提升力；它们往往支配连接设计
- 在设计初期考虑适用性标准，以避免昂贵的改造
- 对于不规则几何形状或高大结构使用 CFD 仿真以捕捉真实的压力模式
- 确保从饰面板到框架再到支撑再到基础的连续载荷路径
- 清晰记录所有风载假设、地形类别和系数以供结构审批
🧠 7. 总结
风载在木结构设计中起着决定性的作用。其轻质和柔性特性要求仔细注意提升、支撑、连接细节和动态效应。结合基于规范的方法用于常规结构以及用于复杂几何形状的 CFD 仿真，工程师们能够在现代木结构建筑中实现安全和效率的兼顾。
