中美規(guī)范風荷載的計算比較

王永華

(新疆電力設(shè)計院，新疆 烏魯木齊 830001)

隨著我院海外事業(yè)的大力開展，越來越多的境外項目要求我們按不同的標準進行設(shè)計計算，通過筆者對多個國外工程設(shè)計中遇到的問題來看，世界各地對基本風速、工程地質(zhì)等方面的劃分標準不盡相同，存在一定的差異性，決不能簡單地按我國的設(shè)計規(guī)范取值標準直接套用，這些問題經(jīng)常給設(shè)計者帶來許多困擾。

風荷載設(shè)計方法通常是先參照某地的基本風速，然后將基本風速換算成基本風壓，最后據(jù)統(tǒng)計學原理對基本風壓進行不同的修正。由于自然環(huán)境的不同，世界各國在制定風荷載規(guī)范時對風荷載的基本計算參數(shù)有著不同的理解。因世界上大多數(shù)欠發(fā)達國家都以美國標準為依據(jù)，所以筆者根據(jù)實際工程的設(shè)計經(jīng)驗，從基本風速、基本風壓定義出發(fā)，進行中美風荷載計算的比較，并提出相互換算的方法和工程設(shè)計過程中應(yīng)注意的事項，供設(shè)計同行參考。

1 基本風壓的定義

(1)我國現(xiàn)行規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 5009-2001(以下簡稱中國規(guī)范)中定義的基本風壓為：“根據(jù)全國各氣象臺站歷年來的最大風速記錄，按基本風壓的標準要求，將不同風儀高度和時次時距的年最大風速，統(tǒng)一換算為離地10m高，自記10min平均年最大風速(m/s)。根據(jù)風速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風速，作為當?shù)氐幕撅L速V0。再按貝努利公式W0=1/2ρV02確定基本風壓?！币部山y(tǒng)一按公式W0=V02/1600(kN/m2)或W0=0.625V02(N/m2)計算。

中國風荷載標準值計算公式：

(2)美國現(xiàn)行規(guī)范《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(《建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載》)美標ASCE 7-10(以下簡稱美國規(guī)范)中對風荷載的規(guī)定進行了全面改寫，并將風荷載的規(guī)定由原來的第6章擴充為六個章節(jié)(第26章到第31章)，并統(tǒng)一了美國各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的基本設(shè)計原則和荷載取值標準及荷載組合原則、荷載分項系數(shù)及組合系數(shù)的取值規(guī)定，因為對基本風速的取值進行了修訂，故風荷載系數(shù)分項從ASCE 7-05的1.6修訂為ASCE 7-10的1.0。其基本風速定義可譯為：“離地10m高，地面粗糙度為C，3s陣風風速，無颶風傾向地區(qū)重現(xiàn)期50年，颶風傾向地區(qū)的重現(xiàn)期500年。”

美國規(guī)范設(shè)計風壓p(相當于中國Wk)公式：

p =qZGCp- q1(GCpi)(N/m2)(對于開敞式結(jié)構(gòu)而言(GCpi)=0)

式中：qz為速度壓力(相當于中國的μzW0)；G為陣風影響系數(shù)(相當于中國的βz，但取值有所不同)；Cp為風載體型系數(shù)(相當于中國規(guī)范的μs，但取值略有不同)。美國規(guī)范速度壓力qz公式：

式中：Kz為風壓高度變化系數(shù)(相當于中國的μz，但取值略有不同)；Kzt為地形因素系數(shù)(對于平地取1.0)；Kd為風方向性因素系數(shù)(美國規(guī)范規(guī)定一般可取0.85～0.95，或按公式計算)；V為基本風速(相當于中國的V0)；

(3)中國規(guī)范中的基本風壓公式W0=1/2ρV02，是世界上大多數(shù)國家都通用的。如美國規(guī)范中速度壓力計算公式中不考慮風壓高度變化系數(shù)Kz和風方向性因素系數(shù)Kd等，則有qz=0.613V2與中國規(guī)范的0.625V02基本相當。這就是說中國和美國規(guī)范中荷載計算的差異不在風速和風壓轉(zhuǎn)換關(guān)系上，而在于風速的定義和取值上。

(4)比較中國和美國的基本風速定義可知：基本風速定義中涉及到離地高度、地面粗糙度、平均時距、荷載重現(xiàn)期等因素。中國和美國規(guī)范基本風速定義中相同的部分是：離地高度都是10m；荷載重現(xiàn)期都是50年；而不同的部分是地面粗糙度和平均時距。

2 基本風速的比較與轉(zhuǎn)換

由以上的分析可知：中國和美國規(guī)范中風荷載的取值差異，主要是由基本風速定義不同引起的。所以作為設(shè)計依據(jù)首先要對中國和美國的基本風速進行比較。

2.1 關(guān)于地面粗糙度的選取

(1)中國規(guī)范中，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：

A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；

B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘嶺以及房屋比較稀梳的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；

C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)；

D 類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

基本風速定義中選用的地面粗糙度為B類。

(2)美國規(guī)范中，地面粗糙度可分為B、C、D三類：

B 類指城市及市郊地區(qū)、樹林地區(qū)、或其他具有許多障礙物的地區(qū)，該障礙物大小如獨戶住宅或更大一點，且彼此靠近；

C 類指具有高度小于9.1m的障礙物的開闊地區(qū)。這一類別包括平坦、開闊的鄉(xiāng)村及草原；

D 類指平原、直接暴露于叢開闊水面上吹來的風的無障礙海岸地區(qū)。這一類別包括泥平地、鹽堿地和不間斷的冰地。

(3)美國規(guī)范中根據(jù)地面粗糙度又確定了B、C、D三類暴露類別：

暴露類別B：對于屋面平均高度小于等于9.1m的建筑物，暴露類別B適用于地面粗糙度類別為B的地形應(yīng)在迎風方向大于457m。對于平均屋面高度大于9.1m的建筑物，暴露類別B適用于地面粗糙度類別為B的地形在迎風方向大于792m或建筑物高度的20倍以遠處；

暴露類別C：用于暴露類別B或D不適用的所有情況；

暴露類別D：適用于地面粗糙度類別為D的地形在迎風方向大于1524m或建筑物高度的20倍以遠處。也適用于在迎風方向先經(jīng)過之前定義的暴露類別為D的地形，然后建筑物場地附近的地形粗糙度類別為B或C，且該地形在183m內(nèi)或建筑物高度的20倍以內(nèi)，取較大值。

(4)對中國和美國規(guī)范中的地面粗糙度類別進行對比，見表1。

表1 中美規(guī)范中地面粗糙度對比

盡管中美兩國規(guī)范中對地面粗糙度分類有所不同，但是氣象臺一般均設(shè)立在開闊平坦地區(qū)，均取此類地形作為基本風速取值的基準，因此中國和美國規(guī)范中地面粗糙度的條件是基本一致的。

2.2 平均風速時距

平均風速時距是指觀測和統(tǒng)計風速資料時所規(guī)定的時間間隔，一般取該時間間隔的平均最大風速。在同一個氣象臺，平均時距越小則記錄得到的平均最大風速越大，反之亦然。這是導致中國和美國規(guī)范中基本風速取值不同的主要原因。

不同時距的基本風速值可按IEC 60826附錄圖A.7(見圖1)所示進行換算。

圖1 不同時距風速換算示意

假設(shè)在中國規(guī)范中地面粗糙度B類地區(qū)，設(shè)時距為10min的風速為V中，時距為3s的風速為V美，現(xiàn)將V美換算成V中。查圖中直線B得3s時距的系數(shù)為1.39，即V美=1.39V中。再由基本風壓公式W0=1/2ρV02得出：

風壓比：W美/W中=V美2/V中2=1.93

由此可知，平均風速時距取值越短，則風壓值越大，反之則越小。中國規(guī)范中取10min為平均風速時距；但是世界各國各有不同的規(guī)定。例如美國取3s，前蘇聯(lián)取3min，歐洲規(guī)范取10min，加拿大取60min，日本取瞬時，英國根據(jù)建筑物或構(gòu)件尺寸不同，分別取3s、5s和15s等。因此應(yīng)用不同國家的設(shè)計資料時必須進行風速值的換算，換算系數(shù)見表2。

表2 B類地區(qū)不同風速時距換算

2.3 不同重現(xiàn)期風壓的換算

荷載重現(xiàn)期不同，最大風速的保證率不同，相應(yīng)的最大風速值也不同。荷載重現(xiàn)期的取值直接影響到結(jié)構(gòu)的安全度，對于風荷載比

較敏感的結(jié)構(gòu)，重要性不同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時有可能采用不同重現(xiàn)期的基本風壓，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的安全水準。不同重現(xiàn)期風壓間的換算系數(shù)可按表3取值。

表3 不同重現(xiàn)期與50年重現(xiàn)期的基本風壓換算系數(shù)

3 風荷載的計算與比較

現(xiàn)以筆者已設(shè)計完成項目為例，對中美兩國規(guī)范風荷載的計算進行分析比較。在蘇丹220kV輸電線路工程中，國外業(yè)主提供的原始資料：風速按美國標準(離地高度10m，3s陣風，50年重現(xiàn)期，地面粗糙度為C類)，基本風速為47m/s。中國現(xiàn)行《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定220kV輸電線路的荷載取值標準為離地高度10m，10min平均最大風，30年重現(xiàn)期，地面粗糙度為B類。下面以自立式直線鐵塔SZ為例進行計算，塔高40m，風壓高度取離地20m處(鐵塔結(jié)構(gòu)計算時風荷載是主要荷載)。

3.1 按美國規(guī)范進行風荷載計算

美國規(guī)范速度壓力qz計算：

(此處參照《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading》要求，按90度方向風吹，Kd取1.0)

美國規(guī)范設(shè)計風壓p計算：

3.2 按中國規(guī)范進行風荷載計算

根據(jù)中美風速的換算關(guān)系：

WK=βzμsμzW0μt= 1.35×1.3×1.25×0.625×33.82×0.93=1456.7(N/m2)(按30年重現(xiàn)期計算)

3.3 中美風荷載取值的比較

式中：D為恒荷載；W為風荷載；

從兩國的荷載組合式中可以看出：恒荷載的取值完全相同，風荷載設(shè)計值的取值有區(qū)別，美國規(guī)范直接取風載標準值，而中國規(guī)范取風載標準值×1.4系數(shù)。(對相同的擋風面積來說風壓比就是風載比)

中國規(guī)范風壓設(shè)計值為：1.4×W=1.4×1456.7=2039.4(N/m2)

美國規(guī)范風荷載與中國規(guī)范風荷載的比值：K=2650.7/2039.4=1.30

經(jīng)過以上計算比較后可知，均按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求，對同一鐵塔結(jié)構(gòu)，美國規(guī)范風荷載值是中國規(guī)范風荷載值的1.3倍，如果《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中荷載重現(xiàn)期標準提高到50年，則美國規(guī)范風荷載值是中國規(guī)范風荷載值的1.21倍。按美國規(guī)范設(shè)計的鐵塔結(jié)構(gòu)更加偏于安全。

4 結(jié)語

由于對基本風速的定義和測量取值方法的不同，從而導致了中國和美國規(guī)范基本風速值大小的差異，也導致了中國和美國風荷載取值的差異。通過上面的計算分析可知：在同一地區(qū)采用美國規(guī)范所計算所得的基本風壓值約為中國規(guī)范風壓值的2倍，但是通過荷載組合后美國規(guī)范風荷載值約為中國規(guī)范風荷載值的1.30倍。在進行國外項目設(shè)計時，應(yīng)該搞清楚業(yè)主或咨詢機構(gòu)提供的現(xiàn)場最大設(shè)計風速的具體含義，如基本風速為3s陣風風速，則采用中國標準設(shè)計軟件時，需轉(zhuǎn)換為10min平均最大風速，這樣的計算結(jié)果才會基本合理。

上述的計算比較僅僅是筆者針對輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)進行的，風荷載的計算受多種因素的影響，如換為其它結(jié)構(gòu)模型，則各項計算系數(shù)取值會有所不同，所以最終的計算結(jié)果也會有所差異，不同結(jié)構(gòu)型式進行設(shè)計計算時需按實際情況進行認真分析，不能一概而論。本文也只是提出了比較理想情況下的風荷載計算比較，供各位設(shè)計同仁參考并歡迎提出批評指正。

[1]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

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[7]IEC 60826-2003，Design Criteria of Overhead Transmission Lines[S].

[8]GB 50545-2010，110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].