摘要
现行国家标准[1]规定，在房屋设计过程中，已经将 50 年重现期的风荷载作用考虑在内。这意味着，在一般强度的风荷载作用下，房屋结构是能够保证安全的。
此次“山竹”是今年以来登陆我国的最强台风。广东等地有多处房屋晃动得比较大，部分围护结构遭到了破坏。这已经让房屋业主在一定程度上产生了心理恐慌。那么，“山竹”是否已经突破了 50 年一遇的设计标准呢？在这种破坏作用下，房屋结构是否足够安全呢？
结论如下：
在登陆点台山，“山竹”的登陆风速达到了 50 年重现期风速的 1.54 倍。同时，其作用于房屋的风荷载是设计风荷载的 2.38 倍。
综合多方面因素，包括国家规范、材料性质以及设计习惯等。混凝土结构在弹性变形下的安全空间系数是 2.98，钢结构的安全空间系数为 2.66，这两个系数都比“山竹”的 2.38 要高。按照现行国家标准设计并建造的房屋，在“山竹”的影响下，依然处于弹性变形状态，所以是安全的。
在较大水平荷载作用的情况下，混凝土结构和钢结构都会有水平位移产生。混凝土结构的水平位移比钢结构的水平位移要小，并且在使用时的舒适度也比较高。
正文
1. 什么是房屋结构设计中的风荷载
主观印象里，风随着离海平面高度的增加而变大，在越空旷的地方风也越大，并且似乎与房屋的形状存在关联，由于各地的气象条件不同，风力也应当有所差异。确实，《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)是依据以上这些要点来规定风荷载的。
计算主要受力构件时，风荷载标准值按下式计算：
1.1. 基本风压w0
当地气象台站历年来有最大风速记录。根据基本风速的标准要求，将不同风速仪器和时次时距的年最大风速，统一换算为离地 10m 高，自记 10min 平均年最大风速数据。然后经统计分析确定重现期为 50 年的最大风速，此最大风速作为当地的基本风速。最后按以下贝努力公式计算得到基本风压 w0。
1.2. 风振系数βz
风会引起结构发生振动。结构自振周期增长时，风振会随之增强。所以在结构设计中，应当对风振的影响予以考虑。风振系数βz是通过以下公式来计算的：
在实际进行计算的时候，R 的计算以及 Bz 的计算是非常繁复的。通常情况下，这些计算是由计算机来完成的。
1.3. 风压高度变化系数μz
在大气边界层内，风速会随着离地面高度的增加而增大。风速随高度增大的这种规律，主要是由地面粗糙度和温度垂直梯度所决定的。一般认为，在离地面高度处于 300m 到 500m 这个范围时，风速就不再会受到地面粗糙度的影响，也就达到了所谓的“梯度风速”，而这个高度被称作梯度风高度。地面粗糙度等级较低的地区，其梯度风高度要比等级高的地区更低。
我国把地貌按地面粗糙度分成了 A、B、C、D 四类。其中，A 类包括近海海面、海岛、海岸、湖岸以及沙漠等；B 类涵盖空旷田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋较为稀疏的中小城镇和大城市郊区；C 类指的是有密集建筑群的城市市区；D 类则是有密集建筑物并且有大量高层建筑的大城市市区。
依据地面粗糙度以及梯度风高度，风压高度变化系数能够依据以下这些方式来进行计算。
也可根据所处地貌及离地面或海平面高度查阅工具表格得出：
1.4. 风荷载体型系数μs
风荷载体型系数μs 指的是在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力（或吸力）与来流风的速度压的比值。它主要和建筑物的体型以及尺寸有关，同时也和周围环境以及地面粗糙度有关。此参数到目前为止还没有理论上的计算结果，通常是依据相似性原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试从而得出。通常来讲，对于那些外形切面是 4 边矩形的常见建筑物，μs 能够取 1.3 。
1.5. 风荷载计算实例
我们依据上述公式（此公式也是国标标准）来对位于深圳的地标建筑平安金融中心中部 300 米高处的风荷载标准值进行计算。
深圳地区 50 年重现期的基本风压 W0 为 0.75kN/m3，这在荷载规范（P139）中有记载；深圳是国际大都市且有众多高层建筑，其地面粗糙度被划分为 D 类；所以在 300m 高度时，通过查表 1 能够得到风压高度变化系数μz = 2.02；平安金融中心的外形切面近似为正方形，近似取其体型系数μs = 1.3；进行简化计算，不考虑风振效应，取风振系数βz = 1。
综上，我们可知在深圳平安金融中心 300m 处，风荷载标准值 wk 等于βzμsμzw0，即 1×1.3×2.02×0.75，结果为 1.9695kN/m³。将此标准值乘上受力面积，就得到了结构设计中假设的作用于平安金融中心 300m 高度处的风荷载。按照此风荷载来确定截面、配置钢筋，并校核横向位移角，所设计的建筑就能满足 50 年重现期风荷载作用下的安全要求。
2. “山竹”最大风力处建筑物是否安全
“中国天气台风网”[3]称，2018 年第 22 号台风“山竹”在 9 月 16 日 17 时前后于广东江门台山沿海登陆。登陆时，其中心附近的最大风力达到 14 级，为 45m/s。
“山竹”登录时中心风速已超过基本风速 54.28%。
在“山竹”的作用下，建筑物所承受的最大基本风压为 w0'，其值为 1.31kN ⁄ m2，并且等于 2.38w0。这意味着建筑物所承受的风荷载是原设计荷载的 2.38 倍。
在这种极端条件下，建筑物能否保证安全呢？我们来分别探究结构设计中国家规范所预留的安全空间，探究行业标准所预留的安全空间，探究结构工程师设计习惯所预留的安全空间，然后综合起来看结构整体的安全储备。
2.1. 荷载组合分项系数预留的安全空间系数
计算出风荷载标准值 wk 之后，要依据承载能力极限状态来进行荷载组合，然后选取最不利组合进行设计。
若结构强度由风荷载控制，按下式进行计算：
因此，对于风荷载，荷载组合分项系数预留的安全空间为1.4。
2.2. 材料预留的安全空间系数
结构设计采用承载力极限状态法时，若要考虑材料性能的不确定性，就会依据某一系数（此系数被称为材料分项系数γ），把材料强度从标准值降低到设计值来进行计算。
螺纹钢的取值通常在 1.1 到 1.15 之间，混凝土的取值为 1.4。钢材按照厚度来划分的话，一般在 1.1 到 1.4 之间。
混凝土结构一般含钢率在 2%以下时，我们近似认为材料预留的安全空间是 1.4；钢结构取中值，其材料预留空间为 1.25。
2.3. “高规”强制条文规定的安全空间系数
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 的强制条文 4.2.2 表明，对于风荷载较为敏感的高层建筑，在进行承载力设计时，应当采用基本风压的 1.1 倍。
2.4. 结构工程师设计习惯所预留的安全空间系数
结构工程师在实际设计过程中，通常会借助应力比控制这一方式，同时也会通过钢筋（或钢结构截面）超配的手段，以此来预留出安全空间。
应力比是构件承受的荷载设计值与构件极限承载能力的比值。例如，某框架柱承受的荷载为 10t 时钢结构设计计算及实例怎么样?，结构工程师通常会预留 20%的空间，把此框架柱的极限承载力配置为 12t 。而应力比预留的安全空间系数为 1.2 。
结构工程师通常会比计算结果多配置约 15%的钢筋，比如某截面经计算需配置 100cm²钢筋，而实际图纸上会配置约 115cm²的钢筋截面面积。
结构工程师在设计时会预留一定的安全空间系数，这个系数是通过 1.2 乘以 1.15 得到的，结果为 1.38。
2.5. 安全空间综合测算
综上来看，2.1 到 2.3 的情况表明，混凝土结构的安全空间系数是 1.4 乘以 1.4 乘以 1.1 再乘以 1.38，结果为 2.98；钢结构的安全空间系数是 1.4 乘以 1.25 乘以 1.1 再乘以 1.38，结果为 2.66。并且这两个系数都大于“山竹”的 2.38 倍。因此，按照现行国家标准设计的房屋，只要保质保量施工，在此次“山竹”特大台风之下是安全的。其结构基本上依旧处于弹性变形的状态。
港珠澳大桥位于台风影响范围内，它完好无损。广州“小蛮腰”位于台风影响范围内，它也完好无损。深圳平安金融中心位于台风影响范围内，同样完好无损。这展现了我国具有较高的规范可靠度以及设计人员高超的技术水平。
3. 风荷载之下，钢结构与混凝土结构，哪种结构形式更好
在水平荷载（以风荷载、地震荷载为主）的作用下，建筑物在水平方向会出现位移。一方面要保证主结构基本处于弹性受力状态，避免裂缝的产生；另一方面要保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免其产生明显的损伤，所以需要对建筑结构的层间位移进行限制。
层间位移角是层间位移与层高的比值，通常用这个指标来对建筑物的水平位移大小进行衡量。层间位移角按照以下式子来进行计算：
高规对混凝土结构的层间位移角限值进行了规定；高钢规对钢结构的层间位移角限值进行了规定。
我们拿一栋 20 层且每层层高为 3m 的建筑结构来做对比。在弹性极限的水平荷载作用下，混凝土结构每层的水平位移是（1/1000 到 1/500）乘以 3000，结果为 3 到 6mm。然后逐层累计，楼顶处的水平位移就是（3 到 6）乘以 20，得出 60 到 120mm。如果是钢结构的话，每层的水平位移是 1/250 乘以 3000，结果为 12mm。而楼顶处的水平位移将会达到每层水平位移的 20 倍，即 12 乘以 20 等于 240mm。这样的水平位移已经能够用肉眼看到，并且是比较夸张的。
3. 由于存在较大的层间剪切变形，钢结构内部非结构构件损坏的概率比混凝土结构高。
注：
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，《钢结构设计规范》GB50017-2003钢结构设计计算及实例怎么样?，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，以及《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015等。
[2]指《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，下同
[3]
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 ，其内容在第 19 页至第 24 页。
[5]《钢结构设计规范》GB50017-2003，P17
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 被指代，以下同此规程
风险提示：本文仅作科普讨论，不构成投资建议。
