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浅议中美风荷载规范之差

作者：黄 凯 黄云峰

来源：《科技传播》2010年第07期

摘要 本文介绍了中、美两国现行荷载规范中对于风荷载的规定,并从荷载组合、基本风速与风压、体形系数、高度变化系数等几方面讨论了两国规范的异同,以此为相关设计人员提供些设计参考。

关键词 风荷载;速度风压;体形系数;风压高度变化系数;阵风系数 中图分类号 TU2文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)16-0079-02 0 引言

随着越来越多的中国工程承包商进入国际工程承包市场,各个行业中,按中国标准完成的EPC项目也越来越多。众所周知,我国相关建筑结构设计规范,参考了包括前苏联、美国、日本、加拿大等国的标准及试验结果。我们采用的设计理论也是世界通用的以概率理论为基础的极限状态设计法。因此,世界上许多国家和地区均认可了我国的建筑结构设计规范体系。 但是,在实际的工程设计中,仍暴露了一些设计上的分歧。特别关于风载作用的计算更是引起了广泛的观注。本文试图通过对中国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)、美国

《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(ASCE/SEI 7-05)中关于风荷载的理论以及规定分别予以介绍,讨论和比较,找出两者的异同,为国际EP 项目及EPC 项目提供设计参考。

两国规范关于风荷载的计算均体现了荷载组合、基本风速(风压)、高度地形影响系数、体型系数、动力放大系数五个方面的内容。本文也将从这几个方面进行论述。 1 相关荷载组合

ASCE/SEI 7-05中有LRFD设计法(极限状态设计法)及ASD设计法(容许应力设计法)。相应的荷载组合也不相同。考虑到极限状态设计法在国内工程从业人员中认知度较高,而ASD设计法本身已经逐渐落伍,本文仅讨论LRFD设计法。ASCE/SEI 7-05中与之相应的荷载组合如下: 1)1.4(D+F)

2)1.2(D+F+T)+1.6(L+H)+0.5(Lr or S or R) 3)1.2D+1.6(Lr or S or R)+(L or 0.8W) 4)1.2D+1.6W+L+0.5(Lr or S or R)

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5)1.2D+1.0E+L+0.2S 6)0.9D+1.6W+1.6H 7)0.9D+1.0E+1.6H 其中:

D为恒载;L为活载;Lr为屋面活载;F为具有稳定的压力及高度的流体产生的荷载;H为土体,地下水,或散料产生侧压力;E为地震荷载;S为雪荷载;W为风荷载;R为降雨荷载;T为自身应力产生的荷载。

可见,ASCE/SEI 7-05中对于风荷载的荷载分项系数为1.6,组合值系数为0.8,比GB50009-2001 对应的风荷载的荷载分项系数1.4,组合值系数0.6 高。 3 风速与风压

两国规范中对基本风速的规定。ASCE/SEI 7-05中规定的基本风速(Basic wind speed),为C 类场地10m 高度处3s阵风风速。这与我国的标准10 min平均风速有较大差异,也是影响设计结果的关键。可见两国规范的区别主要在于平均风速时距的取值,时距太短,易突出风的脉动峰值作用;时距太长,势必把较多的小风平均进去,致使最大风速值偏低。图1显示了平均风速与时距的关系。

ASCE/SEI 7-05中规定,场地类别,即地表粗糙度类别划分:

B 类:城区,郊区,有树木的地区,或有密集单个家庭或两个家庭居住房屋分布的地区; C 类:稀疏分布高度小于9.1m 的低矮障碍物的空旷地区;

D 类:平坦,没有障碍物的地区,以及飓风区以外的海面,也包括泥地,盐地或未破坏的冰面。 可见,ASCE/SEI 7-05场地类别划分与GB50009-2001 基本一致, ASCE/SEI 7-05的D类场地相当于GB50009-2001 的A 类,ASCE 的C 类场地相当于GB20009-2001 的B 类,ASCE 的B 类场地相当于GB50009-2001 的C 类,而GB50009-2001 的D 类场地,即高层建筑密集且建筑高度较大的中心城区,在ASCE/SEI 7-05中应归类为需要特殊研究的A 类场地,即高楼密集的中心城区。

ASCE/SEI 7-05 中风荷载设计有两个基本概念,速度风压和结构设计风压。其中速度风压与我国的基本风压相似。我国基本风压计算公式为:,其中空气密度,因此,可统一按公式。ASCE/SEI 7-05中规定,速度风压(Velocity pressure) (N/m2) ,其中:

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—风速压力暴露系数,对应于GB50009-2001中的风压高度变化系数。表1和表2分别表示了GB50009-2001中及ASCE/SEI 7-05中随高度变化的规律(见表1、表2):

Case 1 为建筑受单向风均匀作用,无扭转效应;Case 2 为建筑受0.75 单项风作用,考虑0.15B 偏心作用产生的扭转效应;对于规则形体建筑结构,一般仅考虑Case 1 情况。本文仅讨论Case 1的情况。由上面两个表,结合两国规范对地表粗糙度类别的划分,不难看出,在相同高度的情况下, 结构设计风压:ASCE 7-05中将结构分为自振频率大于或等于1Hz的刚性结构以及自振频率小于1Hz的柔,并分别规定了其设计风计算公式。对于刚性结构,其主体结构风压计算公式为:;对于柔性结构,其主体结构风压计算公式为:;

—建筑外部风压,迎风面取高度z 处的速度风压,背风面取平均屋面高度h 处的速度风压; —建筑内部风压,一般取屋面高度h 处的压力;

—外部压力系数,相当于GB50009-2001 7.1.1‐1 中的体形系数,ASCE 7-05根据结构封闭的程度将结构分为封闭建筑、部分封闭建筑及开敞式建筑,并分别规定了相应的主体结构,维护结构的内、外部体形系数。就一般封闭建筑的外压体形系数而言,对于墙体,迎风面取0.8, 侧风面取0.7,背风面按照建筑长度与宽度比值L/B 取从0.5-0.2不同数值,这一点与中国规范基本一致。总体而言,对于体形系数的规定,美国规范要比中国规范细致。虽然中国规范规范的规定基本能满足一般的设计使用要求,但在内压系数,屋面处体形系数等方面的规定过于简化了。 —对应于刚性结构及柔性结构的阵风系数。ASCE/SEI 7-05公式6-4—6-14 给出了刚性建筑和柔性建筑的阵风系数计算方法。ASCE/SEI 7-05对于阵风系数的定义与GB50009-2001 相反,对于维护结构=1.0,主体结构

根据上述分析可以发现ASCE/SEI 7-05 用于结构设计的风压与GB50009‐2001 的之间有3处差别:

1)ASCE 考虑风速方向系数=0.85,GB50009‐2001 无此项; 2)ASCE 风压高度变化系数比GB50009‐2001 的小; 3)ASCE 计算主体结构考虑阵风系数1.0。 4 结论

总体而言,我国的基本风速取值小于美国规范中的基本风速,而我国风压高度变化系数的取值相对来说偏于保守。