中美規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算的不同與對(duì)比

晏 琴

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司,上海200090)

中美規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算的不同與對(duì)比

晏 琴

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司,上海200090)

當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí),風(fēng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)件所產(chǎn)生的壓力或吸力,被稱為風(fēng)荷載。風(fēng)荷載的大小,與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度及建筑物體型等諸多因素有關(guān)。各國(guó)規(guī)范中,對(duì)風(fēng)荷載的要求也大不相同。通過(guò)比較,對(duì)國(guó)內(nèi)外3種常用規(guī)范的內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié),為相關(guān)設(shè)計(jì)方案提供參考。

機(jī)組;風(fēng)荷載;風(fēng)速;計(jì)算;標(biāo)準(zhǔn);對(duì)比;設(shè)計(jì);參考

0 概 述

因?yàn)楹Ｍ夤こ添?xiàng)目越來(lái)越多地進(jìn)入國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司,所以,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要熟練掌握國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)范,還要靈活應(yīng)用外國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,確定荷載的取值和組合方式,是設(shè)計(jì)前的首要任務(wù)。風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一,對(duì)于風(fēng)荷載的計(jì)算,在各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中,均有詳細(xì)的解說(shuō)和計(jì)算方式。在國(guó)際上,認(rèn)可度較高的荷載計(jì)算規(guī)范,分別為Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE7-10)和Uniform Building Code(UBC97)。我國(guó)的計(jì)算規(guī)范為GB5009-2012(建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范)。對(duì)于GB5009-2012與ASCE7-10和UBC97在風(fēng)荷載取值上的差異及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了很多研究,但需注意的是,應(yīng)避免發(fā)生2種或者3種規(guī)范混用的情況。如按UBC97規(guī)范中的公式,計(jì)算得出了風(fēng)荷載,那么就必須按照UBC97規(guī)范中相應(yīng)的荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,而不能再按其它規(guī)范進(jìn)行荷載組合。現(xiàn)通過(guò)實(shí)例,按3種規(guī)范中的要求,分別進(jìn)行風(fēng)荷載的分析和計(jì)算,可直觀地發(fā)現(xiàn)各規(guī)范中的區(qū)別與計(jì)算上的差異。

1 輸入條件

某工程結(jié)構(gòu)的頂部高度為30 m,結(jié)構(gòu)類型為雙向開敞、中心支撐鋼結(jié)構(gòu),該工程項(xiàng)目位于美國(guó),地形平坦,高為10 m、暴露類別為C、時(shí)距為3 s的風(fēng)速值,為36 m/s。為簡(jiǎn)化計(jì)算,暫不考慮結(jié)構(gòu)的地震荷載。工程結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

2 我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范GB5009-2012中的規(guī)定,計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí),計(jì)算風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值:

式(1)中:βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);wo為基本風(fēng)壓。基本風(fēng)壓根據(jù)離地10 m高,自記10 min平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速,按貝努利公式計(jì)算得:

當(dāng)空氣密度?=1.25kg/m3時(shí),基本風(fēng)壓wo= 0.625v20;

在我國(guó)規(guī)范中,取10 min為平均風(fēng)速時(shí)距。各國(guó)規(guī)范中有不同的取值,美國(guó)、英國(guó)的規(guī)范中,取3s;前蘇聯(lián)取2 min;加拿大取60 min。對(duì)不同時(shí)距的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算時(shí),需進(jìn)行換算。在國(guó)際電工委員會(huì)編寫的架空線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(IEC60826)中,在附錄A給出了不同時(shí)距的基本風(fēng)速的換算關(guān)系,如圖2所示。曲線中所取的地面粗糙度類別,與我國(guó)規(guī)范中地面粗糙度的類別相同。

圖2 不同時(shí)距風(fēng)速換算曲線

根據(jù)輸入條件,時(shí)距為3s的風(fēng)速值為36 m/s,換算成10 min的風(fēng)速值為v0=36/1.39=25.9 m/s,對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓wo=0.625v20=0.42k N/m2。

我國(guó)規(guī)范中,對(duì)地面粗糙度,可分為A、B、C、D四類,而在美國(guó)規(guī)范標(biāo)中,地面粗糙度分為B、C、D三類,兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 中美規(guī)范中地面粗糙度的對(duì)照表

如在美國(guó)規(guī)范中,地面粗糙度為C類,在我國(guó)規(guī)范中可換算成B類。根據(jù)規(guī)范,在結(jié)構(gòu)類型中,可不考慮風(fēng)振系數(shù)的影響,取βz=1;假定風(fēng)荷載體型系數(shù)為1,可得到不同高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,如表2所示。

表2 我國(guó)規(guī)范中風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)

按承載能力,在極限狀態(tài)下,考慮風(fēng)荷載參與的荷載組合有多種形式。

組合1:1.2D+1.4L±0.6×1.4W

組合2:1.2D±1.4W+0.7×1.4L

組合3:1.35D+0.7×1.4L+0.6×1.4W

組合4:0.9D±1.4W

式中:D為恒荷載;L為活荷載;W為風(fēng)荷載。

3 ASCE7-10(建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載規(guī)范)

根據(jù)美國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范(ASCE7-10)中的規(guī)定,利用直接法,可確定各種高度上封閉、部分封閉和開敞建筑主要抗風(fēng)體系的風(fēng)荷載,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算:

式中:qz為高度Z處的風(fēng)壓;Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);Kzt為地形系數(shù);Kd為風(fēng)向系數(shù);G為陣風(fēng)影響系數(shù);Cp為體型系數(shù);V為基本風(fēng)速,取地面粗糙類別為C、距地面10 m高度處、時(shí)距3 s的風(fēng)速值。與我國(guó)規(guī)范中50年重現(xiàn)期不同的是,ASCE7 -10的重現(xiàn)期是根據(jù)建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)取值,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ類建筑物,對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期MRI=300年;風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ類建筑物,對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期MRI=700年,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ類建筑物,對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期MRI=1700年。

風(fēng)向系數(shù)是對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行折減,考慮了兩種情況的發(fā)生概率。最大的風(fēng)來(lái)自于任一給定的方向,壓力系數(shù)的最大值發(fā)生于任一給定的方向。根據(jù)輸入條件,查表可得Kd=0.85,Kzt=1.0,同樣假定風(fēng)荷載陣風(fēng)系數(shù)和體型系數(shù)均為1,得到不同高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,如表3所示。

表3 ASCE7-10規(guī)范中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)

按荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法(LRFD),考慮風(fēng)荷載參與的荷載組合方式。

組合1:1.2D±1.0W+L

組合2:0.9D±1.0W

式中:D為恒荷載,L為活荷載,W為風(fēng)荷載。

4 UBC97(統(tǒng)一建筑標(biāo)準(zhǔn))

在UBC97標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)風(fēng)荷載的規(guī)定較為簡(jiǎn)單,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算:

式中:p為高度Z處的設(shè)計(jì)風(fēng)壓;Ce為考慮了風(fēng)壓高度、暴露類別和陣風(fēng)影響的一個(gè)綜合系數(shù);Cq為體型系數(shù);qs為標(biāo)準(zhǔn)高度取10 m時(shí)的基本風(fēng)壓; Iw為重要性系數(shù);假定風(fēng)荷載體型系數(shù)為1,得到不同高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,如表4所示。

表4 UBC97規(guī)范中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)

15 1.37 1 0.8 1 1.10 20 1.46 1 0.8 1 1.17 30 1.6 1 0.8 1 1.28

按荷載抗力系數(shù)計(jì)算法(LRFD),考慮風(fēng)荷載參與的荷載組合方式。

組合1:1.2D+1.6L±0.8W

組合2:1.2D±1.3W+0.5L

組合3:0.9D±1.3W

式中:D為恒荷載,L為活荷載,W為風(fēng)荷載。

按3種不同規(guī)范進(jìn)行計(jì)算,在同一輸入條件下,將計(jì)算結(jié)果再乘以相應(yīng)的風(fēng)荷載組合值系數(shù),計(jì)算得到風(fēng)荷載組合值,如表5所示。

表5 不同規(guī)范中風(fēng)荷載組合值(kN/m2)

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于剛性較強(qiáng),且高度不大于30m的鋼結(jié)構(gòu),按我國(guó)規(guī)范,可不考慮風(fēng)振的影響。如采用ASCE7 -10(建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載規(guī)范)計(jì)算,計(jì)算所得的結(jié)果相差不大。但在UBC97(統(tǒng)一建筑標(biāo)準(zhǔn))中,沒(méi)有單獨(dú)給出風(fēng)振系數(shù)。所有類型的結(jié)構(gòu),必須按統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果的偏大較大。所以,不建議采用UBC97規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算,否則,計(jì)算的結(jié)果較為保守。

無(wú)論采用何種規(guī)范,從初始的參數(shù)取值,到后期的荷載組合,必須采用相同的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),不可混用。

[1]ASCE7-10.Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].ASCE,2010.

[2]UBC97.Uniform Building Code[S].UBC,1997.

[3]IEC60826.Design criteria of overhead transmission lines[S]. IEC,2003.

[4]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Difference and Contrast of Wind Load Calculation between Chinese and American Standards

YAN Qin
(Shanghai SPX Engineering Technology Co.,Ltd.,SEPG,Shanghai 200090,China)

When the air flows,the pressure or suction generated by the wind on the structural parts of the works is called wind load.The magnitude of wind load is related to the basic wind pressure,terrain,surface roughness,and distance from ground height and building shape.Wind loads are also very different in each national standards.By comparison,the article compares and summarizes the contents of 3 commonly used standards at home and abroad, and provides reference for related design.

unit;wind load;wind velocity;calculation;standard;compare;design;reference

TK264.9

A

1672-0210(2017)02-0004-03

2017-04-19

晏琴(1983-),女,工程師,畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè),從事空冷機(jī)組中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。