中美规范风荷载设计规定对比研究

曲鹏

（上海电气电站工程公司，上海 201199）

1 引言

近年来，上海电气电站工程公司作为总承包方承接了多项海外燃煤、燃油、燃气火力发电项目。很多项目要求采用美国规范作为设计标准，部分项目可以采用中国规范设计，但业主提供的风荷载参数等输入条件是基于美国规范提出的。在项目的设计过程中，经常遇到由于中国规范和美国规范规定差异导致的风荷载参数取值不同给工程结构设计带来的困扰[1]。为了适应海外工程的设计需要，了解中国规范与美国规范关于风荷载设计规定的差异是十分必要的。本文基于中国规范GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]和美国规范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[3]，对基本风速、基本风压和风速压力、风荷载标准值和风荷载设计压力、地面粗糙度类别和暴露类别、风荷载体型系数和风压系数、最小风压等风荷载设计规定做了对比研究。

2 基本风速

中国和美国风荷载设计规范在确定基本风速时，选取的均是年最大风速，并且选取的年最大风速概率分布类型是一致的，均为极值I 型分布曲线[4]。中国规范GB 50009—2012 条款8.1.2 指出，基本风速是高度10 m 处、地面粗糙度类别B 类的10 min 阵风风速，重现期为50 年。美国规范ASCE/SEI 7-10 的26.3 节术语和符号解释中给出基本风速是高度10 m处、暴露类别C 类的3 s 阵风风速。ASCE/SEI 7-10 条款26.5.1指出，基本风速的重现期按不同的结构安全等级采用300 年、700 年、1 700 年不同的重现期。

离地面越近，风能量受地表障碍物的影响产生的损耗就越大，因而风速就越小；反之离地越高，则风能量损耗就越少，风速也就越大。因此，必须规定一个标准高度以便于计算和比较[5]。中美规范对标准高度的规定是一致的，均为10 m。基本风速在这两个规范之间相互转换时，可不必考虑标准高度的影响。

地表越粗糙风能量损耗就越大，因而风速就越小。地面粗糙度越小，风速就越高。因此，需要为风速规定一个共同的地貌标准。GB 50009—2012 中基本风速定义选用的地面粗糙度为B 类。ASCE/SEI 7-10 中基本风速的定义是以C 类暴露类别为标准。两国规范均按照地面情形划分了地面粗糙度类别，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 类近似于GB 50009—2012 的B类，两国规范基本风速取值时选用的地表类别基本一致。

平均风速时距，是用以表征观测和统计风速时规定的时间间隔。平均风速时距越短，记录得到的平均最大风速越大。GB 50009—2012 规定的风速时距为10 min。ASCE/SEI 7-10是以3 s 阵风风速作为平均风速的样本，即时距取为3 s。当进行中国规范和美国规范基本风速转换时，需要对此重点考虑，即计算时需要换算成同一时距下的基本风速。

重现期是指连续两次超过规定值的时间间隔，中美两国规范对基本风速重现期的选择不同。GB 50009—2012 规定风速重现期为50 年。ASCE/SEI 7-10 规定基本风速的重现期按不同的结构安全等级采用300 年、700 年、1 700 年不同的重现期。在进行基本风速转换时需考虑此因素影响。

3 基本风压和风速压力

GB 50009—2012 附录E.2.4 提出基本风压按式（1）确定：

式中，ρ为空气密度；v为基本风速。

ASCE/SEI 7-10 条款27.3.2 给出风速压力为：

式中，Kz为高度z处风速压力暴露系数；Kzt为地形系数；Kd为风向系数。

ASCE/SEI 7-10 中没有基本风压的概念，但是ASCE/SEI 7-10 给出了风速压力的概念。风速压力相当于在基本风压的基础上考虑了风速压力暴露系数、地形系数和风向系数的影响。其中，风向系数Kd中国规范没有对应的系数，风速压力暴露系数Kz相当于中国规范的风压高度变化系数，中国规范对风压高度变化系数的地形修正系数相当于美国规范中地形系数Kzt。

4 风荷载标准值和风荷载设计压力

GB 50009—2012 条款8.1.1 指出，主要承重结构的风荷载标准值为：

式中，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；w0为基本风压。

ASCE/SEI 7-10 第27 章给出建筑主要抗风体系的风荷载方向设计法，该方法又分为一般方向设计法和简化的方向设计法。根据结构的封闭程度、刚度、高度和不同的部位采用不同的表达式计算。例如ASCE/SEI 7-10 条款27.4.1 给出，封闭和半封闭刚性建筑的风荷载设计压力为：

式中，q和qi为风速外压力和内压力；G为阵风影响系数，相当于中国规范的风振系数；Cp为外压系数，相当于中国规范的风荷载体型系数；GCpi为内压系数，中国规范没有此概念。ASCE/SEI 7-10 第28 章给出风荷载的包络设计法，仅适用于封闭或半封闭的低层建筑物主要抗风体系的风荷载计算。第29 章给出其他类型结构及建筑附属物的主要抗风体系的风荷载计算方法。第30 章给出围护结构的风荷载设计方法。

GB 50009—2012 中风荷载标准值计算较为简单，对于很多常见的建筑外形都明确地标明了风荷载体型系数。而ASCE/SEI 7-10 中风荷载设计压力计算较为烦琐，分类较为细致，根据不同的结构给出了不同的设计公式，并且为便于实际设计，对一些常用结构给出了简化的计算方法。ASCE/SEI 7-10规范中无风荷载标准值的计算公式，其给出的是对应于设计值的风荷载设计压力计算，其对应的荷载组合系数为1.0。ASCE/SEI 7-10 考虑建筑物内部风压，引入了内部风压系数，而GB 50009—2012 仅在验算围护构件强度时，规定了内表面局部风压体型系数。

5 地面粗糙度类别和暴露类别

GB 50009—2012 条款8.2.1 指出地面粗糙度可分为4 类：A、B、C、D。A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C 类指有密集建筑群的城市市区；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。确定了地面粗糙度类别后，便可根据GB 50009—2012 表8.2.1 确定风压高度变化系数。

ASCE/SEI 7-10 条款26.7.2 指出了地面粗糙度类别的划分。B 类指城镇和城市郊区、树林或具有大量密布的不小于单一家庭住宅面积的障碍物的区域。C 类指具有高度小于9.15 m的稀疏障碍物的空旷区域，包括平坦的乡村、草场。D 类指平坦、无遮拦的区域，水面，包括平坦的海滨泥滩、盐渍滩、未破坏的冰区。

ASCE/SEI 7-10 条款26.7.2 同时指出，定义地面粗糙度类别的目的是用于按照26.7.3 节的准则划定场地的暴露类别。暴露类别B 是指对于平均屋顶高度不大于9.15 m 的建筑物，在其上风向至少457 m 范围内的地面粗糙度以B 类为主的地貌；对于平均屋顶高度大于9.15 m 的建筑物，在其上风向至少792 m 或20 倍该建筑物高度（二者取大值）范围内的地面粗糙度以B 类为主的地貌。暴露类别C 用于暴露类别B 和D 不能应用的其他所有情况。暴露类别D 是指在其上风向至少792 m或20 倍该建筑物高度（二者取大值）范围内的地面粗糙度以D 类为主的地貌。确定了暴露类别之后，可以通过规范表格查找风速压力暴露系数Kz。

两国规范均按照地面情形划分了地面粗糙度类别，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 类近似于GB 50009—2012 的B 类。GB 50009—2012 依据地面粗糙度类别便可确定风压高度变化系数；ASCE/SEI 7-10 是根据暴露类别来确定风速压力暴露系数，地面粗糙度仅用于确定暴露类别，并不直接用于确定风速压力暴露系数的大小。GB 50009—2012 对于主抗风系统和维护结构的风压高度变化系数均按照相同表格取值；ASCE/SEI 7-10 按照不同的结构类型分别查找不同的表格取值风速压力暴露系数。

6 风荷载体型系数和风压系数

GB 50009—2012 条款8.3.1 指出，房屋和构筑物的风荷载体型系数可依据表8.3.1 采用，当结构体型与表中不同或对于重要且体型复杂的房屋和构筑物，由风洞试验确定。

ASCE/SEI 7-10 条款27.4.1、27.4.2 指出，对于封闭、半封闭的刚性和柔性结构，在计算主抗风系统时的外部风压系数通过查表27.4-1～ 表27.4-3 确定（此处所述图表编号指ASCE/SEI 7-10 中的图表编号，并非本文图表编号，下文类同）。ASCE/SEI 7-10 条款27.4.3 指出，对于开放结构，在计算主抗风系统时的风压系数通过查表27.4-4～ 表27.4-7 确定。ASCE/SEI 7-10 条款28.4 指出，对于封闭或半封闭的低矮结构，风压系数GCpf通过查图28.4-1 确定。此时阵风系数和外部风压系数合并成一个系数，并且不允许被分开。ASCE/SEI 7-10 条款29.3.2 指出，对于自由墙体，风压系数Cf通过查图29.4-1 确定；对于烟囱、罐体和屋面设备，风压系数Cf通过查图29.5-1 确定；对于开放标示牌、格构式框架，风压系数Cf通过查图29.5-2 确定。ASCE/SEI 7-10 条款30.4.2 指出，对于围护结构的外部风压系数，查图30.4-1～图30.4-7 确定。

两国标准都规定了对于体型复杂的重要结构，或者没有相关资料为依据的情况下，应由风洞试验来确定体型系数和风压系数。ASCE/SEI 7-10 在确定封闭或半封闭的低矮结构以及围护结构的外部风压系数时，将各受风面细分为若干风压区，不同分区采用不同风压系数；中国规范没有对受风面进行分区。ASCE/SEI 7-10 考虑了建筑物内部风压，引入了内部风压系数；中国规范仅在验算维护构件强度时规定了内表面局部风压体型系数。ASCE/SEI 7-10 对于高度小于48.8 m 且具有简单外形的结构，不再规定单独的外部风压系数，而是直接提供表格计算受风面的风压力；对于封闭或半封闭的低矮结构，外部风压系数和阵风系数合并成一个系数，并且不允许被分开；中国规范中各受风面则始终有体型系数。

7 最小风压

GB 50009—2012 和ASCE/SEI 7-10 对于最小风压值规定不同。GB 50009—2012 条款8.1.2 提出基本风压不得小于0.3 kN/m2。ASCE/SEI 7-10 条款27.4.7 及条款28.4.4 提出设计主抗风系统的最小风荷载设计压力不小于0.77 kN/m2乘以垂直风荷载方向的墙面面积与0.38 kN/m2乘以屋面竖直投影面积两者之和。ASCE/SEI 7-10 的29.8 节提出其他结构的最小风荷载设计压力不小于0.77 kN/m2乘以结构在垂直风荷载方向的面积或投影面积。

8 结语

本文基于中国规范GB 50009—2012 《建筑结构荷载规范》 和美国规范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures，对风荷载设计规定做了对比研究。通过对比研究发现，在基本风速定义、基本风压和风速压力计算、风荷载标准值和风荷载设计压力计算、地面粗糙度类别和暴露类别定义、风荷载体型系数和风压系数取值、最小风压取值等方面，两国规范规定均存在显著差异。在涉外项目的结构设计过程中，设计人员需要对这些差异给予足够的重视。