中美规范中风荷载计算的不同与对比

晏 琴

(上海电气斯必克工程技术有限公司,上海200090)

中美规范中风荷载计算的不同与对比

晏 琴

(上海电气斯必克工程技术有限公司,上海200090)

当空气流动时,风对工程结构件所产生的压力或吸力,被称为风荷载。风荷载的大小,与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度及建筑物体型等诸多因素有关。各国规范中,对风荷载的要求也大不相同。通过比较,对国内外3种常用规范的内容进行了对比和总结,为相关设计方案提供参考。

机组;风荷载;风速;计算;标准;对比;设计;参考

0 概 述

因为海外工程项目越来越多地进入国内设计公司,所以,在结构设计时,不仅要熟练掌握国内的设计规范,还要灵活应用外国的设计规范。在工程结构设计中,确定荷载的取值和组合方式,是设计前的首要任务。风荷载是建筑结构上的主要荷载之一,对于风荷载的计算,在各国的设计规范中,均有详细的解说和计算方式。在国际上,认可度较高的荷载计算规范,分别为Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE7-10)和Uniform Building Code(UBC97)。我国的计算规范为GB5009-2012(建筑结构荷载规范)。对于GB5009-2012与ASCE7-10和UBC97在风荷载取值上的差异及相互转换关系,国内学者已做了很多研究,但需注意的是,应避免发生2种或者3种规范混用的情况。如按UBC97规范中的公式,计算得出了风荷载,那么就必须按照UBC97规范中相应的荷载组合进行结构分析,而不能再按其它规范进行荷载组合。现通过实例,按3种规范中的要求,分别进行风荷载的分析和计算,可直观地发现各规范中的区别与计算上的差异。

1 输入条件

某工程结构的顶部高度为30 m,结构类型为双向开敞、中心支撑钢结构,该工程项目位于美国,地形平坦,高为10 m、暴露类别为C、时距为3 s的风速值,为36 m/s。为简化计算,暂不考虑结构的地震荷载。工程结构模型,如图1所示。

图1 结构模型

2 我国现行荷载规范

根据我国现行荷载规范GB5009-2012中的规定,计算主要受力结构时,计算风荷载的标准值:

式(1)中:βz为高度Z处的风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;wo为基本风压。基本风压根据离地10 m高,自记10 min平均年最大风速数据。经统计分析,确定重现期为50年的最大风速,按贝努利公式计算得:

当空气密度ℓ=1.25kg/m3时,基本风压wo= 0.625v20;

在我国规范中,取10 min为平均风速时距。各国规范中有不同的取值,美国、英国的规范中,取3s;前苏联取2 min;加拿大取60 min。对不同时距的风速进行计算时,需进行换算。在国际电工委员会编写的架空线路设计标准(IEC60826)中,在附录A给出了不同时距的基本风速的换算关系,如图2所示。曲线中所取的地面粗糙度类别,与我国规范中地面粗糙度的类别相同。

图2 不同时距风速换算曲线

根据输入条件,时距为3s的风速值为36 m/s,换算成10 min的风速值为v0=36/1.39=25.9 m/s,对应的基本风压wo=0.625v20=0.42k N/m2。

我国规范中,对地面粗糙度,可分为A、B、C、D四类,而在美国规范标中,地面粗糙度分为B、C、D三类,两者的对应关系,如表1所示。

表1 中美规范中地面粗糙度的对照表

如在美国规范中,地面粗糙度为C类,在我国规范中可换算成B类。根据规范,在结构类型中,可不考虑风振系数的影响,取βz=1;假定风荷载体型系数为1,可得到不同高度处的风荷载标准值,如表2所示。

表2 我国规范中风荷载的标准值(kN/m2)

按承载能力,在极限状态下,考虑风荷载参与的荷载组合有多种形式。

组合1:1.2D+1.4L±0.6×1.4W

组合2:1.2D±1.4W+0.7×1.4L

组合3:1.35D+0.7×1.4L+0.6×1.4W

组合4:0.9D±1.4W

式中:D为恒荷载;L为活荷载;W为风荷载。

3 ASCE7-10(建筑物和其他结构最小设计荷载规范)

根据美国现行荷载规范(ASCE7-10)中的规定,利用直接法,可确定各种高度上封闭、部分封闭和开敞建筑主要抗风体系的风荷载,风荷载标准值的计算:

式中:qz为高度Z处的风压;Kz为风压高度变化系数;Kzt为地形系数;Kd为风向系数;G为阵风影响系数;Cp为体型系数;V为基本风速,取地面粗糙类别为C、距地面10 m高度处、时距3 s的风速值。与我国规范中50年重现期不同的是,ASCE7 -10的重现期是根据建筑物风险等级取值,风险等级为Ⅰ类建筑物,对应重现期MRI=300年;风险等级为Ⅱ类建筑物,对应重现期MRI=700年,风险等级为Ⅲ、Ⅳ类建筑物,对应重现期MRI=1700年。

风向系数是对风荷载进行折减,考虑了两种情况的发生概率。最大的风来自于任一给定的方向,压力系数的最大值发生于任一给定的方向。根据输入条件,查表可得Kd=0.85,Kzt=1.0,同样假定风荷载阵风系数和体型系数均为1,得到不同高度处的风荷载标准值,如表3所示。

表3 ASCE7-10规范中风荷载标准值(kN/m2)

按荷载抗力系数设计法(LRFD),考虑风荷载参与的荷载组合方式。

组合1:1.2D±1.0W+L

组合2:0.9D±1.0W

式中:D为恒荷载,L为活荷载,W为风荷载。

4 UBC97(统一建筑标准)

在UBC97标准中,对风荷载的规定较为简单,风荷载标准值的计算:

式中:p为高度Z处的设计风压;Ce为考虑了风压高度、暴露类别和阵风影响的一个综合系数;Cq为体型系数;qs为标准高度取10 m时的基本风压; Iw为重要性系数;假定风荷载体型系数为1,得到不同高度处的风荷载标准值,如表4所示。

表4 UBC97规范中风荷载标准值(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

按荷载抗力系数计算法(LRFD),考虑风荷载参与的荷载组合方式。

组合1:1.2D+1.6L±0.8W

组合2:1.2D±1.3W+0.5L

组合3:0.9D±1.3W

式中:D为恒荷载,L为活荷载,W为风荷载。

按3种不同规范进行计算,在同一输入条件下,将计算结果再乘以相应的风荷载组合值系数,计算得到风荷载组合值,如表5所示。

表5 不同规范中风荷载组合值(kN/m2)

5 结 语

对于刚性较强,且高度不大于30m的钢结构,按我国规范,可不考虑风振的影响。如采用ASCE7 -10(建筑物和其他结构最小设计荷载规范)计算,计算所得的结果相差不大。但在UBC97(统一建筑标准)中,没有单独给出风振系数。所有类型的结构,必须按统一的参数进行计算,计算结果的偏大较大。所以,不建议采用UBC97规范对风荷载进行计算,否则,计算的结果较为保守。

无论采用何种规范,从初始的参数取值,到后期的荷载组合,必须采用相同的规范进行设计,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.建筑结构荷载规范[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,工程师,毕业于同济大学结构工程专业,从事空冷机组中钢结构的设计工作。