中澳標準順風向風載作用比較

劉天英，盧 昊，李孝啟

（東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）

中澳標準順風向風載作用比較

劉天英，盧 昊，李孝啟

（東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）

為方便中國工程師與澳大利亞咨詢工程師溝通，了解澳大利亞標準順風向風載計算，本文對中國標準GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及澳大利亞標準AS/NZS 1170.2:2011《結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載 第2部分：風載》兩部標準中順風向風載計算進行介紹。對比研究順風向風壓系數(shù)如體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)、風振系數(shù)，并進一步探討中澳標準間各系數(shù)的區(qū)別。通過具體算例比較中澳標準風載的大小，結(jié)果表明對于同一場地剛性建筑，基于澳大利亞標準的風載要高于基于中國標準的風載；對于風敏柔性建筑，從地面起澳標風載高于中標風載，隨著高度增加，中澳標準風載差距在減小，當建筑達到一定高度時，中標風載在某個高度可能會超過澳標。

中澳標準；順風向；風載作用。

中國工程公司在非洲及東南亞一帶的國家和地區(qū)執(zhí)行了很多電廠項目，項目大多采用EPC模式，由中國工程公司總承包。項目設(shè)計基于中國標準（以下簡稱中標），由中國設(shè)計公司完成，但圖紙確認工作由這些國家或地區(qū)聘請發(fā)達國家的咨詢工程師進行。澳大利亞咨詢工程師在項目中經(jīng)常遇到。澳大利亞咨詢工程師熟知澳大利亞標準（以下簡稱澳標），不了解中標，中國工程設(shè)計人員正好相反。上述原因阻礙圖紙的確認工作，為便于交流并順利執(zhí)行項目，了解澳標非常必要。風載為作用在建（構(gòu)）筑物上的基本荷載之一，?？刂平ǎ?gòu)）筑物的安全。中國工程師應注意涉外項目風載參數(shù)常源于不同標準體系，如取值不當，結(jié)構(gòu)可能存在安全隱患或經(jīng)濟性較差問題。風載進一步細分為順風向風載（平行于風向）、橫風向風載（垂直于風向）和扭轉(zhuǎn)風載。順風向風載在結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常遇到，所以有必要對中澳標準順風向風載的計算進行對比，找出差異并分析對結(jié)果的影響。

1　順風向風壓

計算主要受力結(jié)構(gòu)時，中標給出順風向風載標準值：

式中：βz為高度z處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風壓（kN/m2）。

基本風壓：

式中：ρ為空氣密度，取1.25kg/m3；ν0為基本風速（m/s）。

進一步推導

從公式中可以看出，中標考慮地面粗糙度、建筑體型以及建筑自身動力特性對風載計算的影響。

澳標中給出建（構(gòu)）筑物設(shè)計風壓公式

式中：ρair為空氣密度，取1.2 kg/m3；Vdes，θ為建筑主軸設(shè)計風速；Cfig為氣動體型系數(shù)；Cdyn為動力響應系數(shù)。其中Vdes，θ的取值與場地風速Vsit，β有關(guān)，等于場地風速Vsit，β在β=θ±45°范圍的最大值，風向β與建筑物主軸方向關(guān)系見圖1。

式中：VR為區(qū)域風速（m/s）；Md為方向系數(shù)；Mz，ca為場地高度系數(shù)；Ms為遮擋系數(shù)；Mt為特殊地形系數(shù)。

澳標分A、W、B、C、D共5個風壓區(qū)，方向系數(shù)Md隨風壓分區(qū)不同取值不同。對于A及W區(qū)，

8個主要方向的Md取值在0.8～1.0之間，詳見澳標表3.2。對于B、C、D區(qū)，當確定作用在整個建筑的合力及傾覆彎矩和主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的風載時，Md取0.95；其他情況（包括墻板及中間支撐構(gòu)件），Md取1.0。假定8個主要方向場地風速Vsit，β見圖2，建筑主軸設(shè)計風速：

亦即取x位置的Vsit，β值，該處Md通過插值獲得。

圖1　風向β與建筑物主軸方向關(guān)系

澳標大部分情況下Ms及Mt可取1.0，具體取值詳見下文。則進一步推導

從中澳標準計算風壓公式中可以看出，前面的數(shù)值系數(shù)差值很小，主要由于采用的空氣密度不同所致。中標沒有方向系數(shù)概念，澳標方向系數(shù)Md可做為數(shù)值系數(shù)處理。雖然其他系數(shù)在表達形式有一定區(qū)別，但從定義上看各系數(shù)之間有大致對應關(guān)系，詳見表1。

表1　風壓系數(shù)對應關(guān)系

2　基本風壓

從中標基本風壓定義可以推出基本風速V0定義為當?shù)乜諘缙教沟孛妫藴手械孛娲植诙菳類）上10 m高度處50年一遇10 min內(nèi)的平均最大風速。澳標區(qū)域風速VR相當于中標基本風速，但定義與中標不同，為當?shù)乜諘缙教沟孛妫藴手械孛娲植诙?類）上10 m高度處3 s內(nèi)的平均最大風速，重現(xiàn)期根據(jù)建筑重要性等級可選。

中標規(guī)定，對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風壓的取值應適當提高，承載力設(shè)計時可按基本風壓的1.1倍采用，但并沒提及重要性等級。澳標根據(jù)建（構(gòu)）筑物破壞對人的生命及財產(chǎn)的危害程度將建（構(gòu)）筑物重要性分為四類，詳見表2。根據(jù)不同重要性等級，取不同重現(xiàn)期R（年超越概率的倒數(shù)）的區(qū)域風速VR，重現(xiàn)期及年超越概率取值見表3。

表2　建（構(gòu)）筑物重要性等級

表3　風速年超概率及重現(xiàn)期

從中澳兩個標準基本風速定義上，可以看出有兩處區(qū)別，分別為重現(xiàn)期及時距不同。重現(xiàn)期中國取50年，而澳大利亞重現(xiàn)期根據(jù)建筑物重要性等級不同取值不同。時距中國取10 min，而澳大利亞取3 s。根據(jù)相關(guān)文獻，風載參數(shù)的取值雖然不同，但可以進行換算。關(guān)于時距的換算見表4。從表4可以看出，澳大利亞基本風速V3S與中國基本風速V10 min關(guān)系為V3s=1.42V10 min。

表4　不同時距與10 min時距平均風速的換算系數(shù)

對于不同重現(xiàn)期間基本風速換算，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)定了風速重現(xiàn)期換算系數(shù)進行計算，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)定的換算系數(shù)是以重現(xiàn)期為50年的風速為基準，其表達式為：

式中：T為重現(xiàn)期，υ（50）為50年重現(xiàn)期風速。

例如對于澳標位于B區(qū)的2類建筑物，重現(xiàn)期R取500年，澳大利亞區(qū)域風速V500與中國基本風速ν0的關(guān)系為V500=1.20ν0。那么最終澳大利亞區(qū)域風速VR=（1.20×1.42）ν0= 1.704ν0，可見對于B區(qū)2類建筑物，澳標基本風速為中標基本風速值1.704倍，對于另外的建筑物，此值在變化。

3　基本風壓系數(shù)

3.1風壓高度變化系數(shù)

在大氣邊界層內(nèi)，風速隨離地面高度增加而增大。當氣壓場隨高度不變時，風速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度。在這一點上，中標和澳標相同。中標采用風壓高度變化系數(shù)μz來體現(xiàn)風壓的變化，實際上是體現(xiàn)風速變化。澳標采用場地高度系數(shù)Mz，cat來體現(xiàn)地形不同對風速的影響，轉(zhuǎn)換到風壓時，應為平方關(guān)系。

中標地面粗糙度細分為A、B、C、D四類，詳細描述見中標8.2.1款。為便于應用，中標風壓高度變化系數(shù)取值列于GB 50009表8.2.1，可直接查閱。需要說明的是中標在確定城區(qū)地面粗糙度類別時，以擬建房2 km為半徑的迎風半圓影響范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風向原則上以該地區(qū)最大風的風向為準，也可取其主導風。以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度ha劃分地面粗糙度類別，當ha≥18 m，為D類；9 m＜ha＜18 m，為C類；ha≤9 m，為B類。澳標將地形種類同樣分為四類。類別1：沒有或幾乎沒有障礙物的暴露開闊地面及正常使用風速的水面。類別2：水面、開闊地面、有少數(shù)很分散的1.5 m到10 m高障礙物的草地。類別3：許多近距離的3.0 m到5.0 m高障礙物的地形，如城郊住宅區(qū)域。類別4：有很多大、高（10.0 m到30.0 m）和近距離障礙物地形，如大城市中心、開發(fā)很好的工業(yè)區(qū)。從兩本規(guī)范的描述上看，地形類別數(shù)量均為四類。從描述上中標A類包含澳標的1類及部分2類。中澳標準地形類別大致的對應關(guān)系，見表5。

表5　中澳標準地形類別對比

為便于取用，中標規(guī)風壓高度變化系數(shù)μz的取值詳見GB 50009中表8.2.1。澳標風壓A、W、B區(qū)高度變化系數(shù)Mz，cat取值詳見表6，風壓C、D區(qū)高度變化系數(shù)Mz，cat取值詳見表7。

表6　A、W、B區(qū)場地高度變化系數(shù)Mz，cat

表7　C、D區(qū)場地高度變化系數(shù)Mz，cat

可見澳標中不同風壓分區(qū)，對于不同的地形類別，場地高度變化系數(shù)也是不同的，中標沒有澳標細致。同一地形類別中，中標不同高度處風壓高度變化系數(shù)與10 m處風壓高度變化系數(shù)的比值要高于澳標，也就是說，中標風速隨高度的變化要快于澳標。

3.2體型系數(shù)

風荷載體型系數(shù)通過風洞試驗或在建筑物上實測得到，是用來反映作用在建筑表面上實際壓力與速度壓的比值關(guān)系，有的國家稱為壓力系數(shù)、氣動體型系數(shù)、力系數(shù)、空氣動力系數(shù)等。該系數(shù)主要與建筑物的體型和尺寸有關(guān)，因此中標稱為風荷載體型系數(shù)，實際就是面上的加權(quán)平均壓力系數(shù)。中標表8.3.1中詳細列出不同類型的建（構(gòu)）筑物體型及其體型系數(shù)μs。對于常規(guī)矩形建筑物的體型系數(shù)，迎風面為+ 0.8，為壓力，背風面-0.5，為吸力。對于超過45 m的矩形截面建筑物的體型系數(shù)，還與矩形的長寬比有關(guān)。迎風面一直為0.8，但背風面體型系數(shù)隨長寬比（D/B）變化而變化，寬度指迎風面的寬度。當D/B≤1，取-0.6；D/B=1.2時，取-0.5；D/B=2時，取-0.4；D/B≥4，取-0.3 。中間值進行內(nèi)插。

與中標風荷載體型系數(shù)對應的是澳標的氣動體型系數(shù)Cfig，主要與建筑物的體型和尺寸有關(guān)。對于封閉建筑物

式中：Cpe為外部壓力系數(shù)；Ka為面積折減系數(shù)；Kce為外部壓力組合系數(shù)；Kl為局部壓力系數(shù)；Kp為孔隙墻板折減系數(shù)。

當計算主體結(jié)構(gòu)受力時，Ka、Kl、Kp均可取1.0，Kce對于迎風面墻和背風面墻2個有效表面同時作用時取0.9，詳見澳標5.4節(jié)。對于矩形封閉建筑，當房屋高度h＞25m時，風速隨高度變化時，迎風面墻Cpe取0.8。當房屋高度h≤25m時，當風速隨高度變化時，迎風面墻Cpe取0.8；當風速取建筑最高點h處值時，迎風面墻Cpe取0.7。矩形封閉建筑背風面壓力系數(shù)Cpe詳見表8。

表8　背風面壓力系數(shù)Cpe

從表8中可以看出，澳標壓力系數(shù)Cp，e值隨建筑高度、風速取值、長寬比（a/b）及屋面坡度角α的變化而變化，考慮的因素較多。而中標迎風面的體型系數(shù)始終為0.8，背風面僅考慮建筑長寬比的因素，值相對比澳標大。

3.3風振系數(shù)

中標對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)考慮風振系數(shù)影響。對于主要受力結(jié)構(gòu)，中標風荷載標準值的表達采用平均風壓乘以風振系數(shù)βz。中標z高度處的風振系數(shù)：

式中：g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高度名義湍流強度，對應A、B、C和D類地面粗糙度，分別取0.12、0.14、0.23和0.39； R為脈動風荷載的共振分量因子；Bz為脈動風荷載的背景分量因子。風振系數(shù)的計算按中標第8.4節(jié)的相關(guān)規(guī)定進行。

澳標當建筑物或其單元第一振型的自振頻率na大于1.0 Hz，動力響應系數(shù)Cdyn=1.0。對高層建筑及自立式塔0.2 Hz≤na≤1.0 Hz，需要計算動力響應系數(shù)。對于懸挑屋面0.5 Hz≤na≤1.0 Hz，需要計算動力響應系數(shù)。其他情況，需要另外考慮，沒有包含在AS/NZS 1170.2標準中。

動力響應系數(shù)：

式中：s為建筑風載作用計算點高度；h為建筑總高；gv為上風向速度波動峰值系數(shù)，取3.7；Ih為湍流強度；Bs為背景系數(shù)；Hs為共振響應高度系數(shù)，取1+（s/h）2； S為尺寸折減系數(shù)；Et-π/4倍到來氣流湍流譜；ζ為結(jié)構(gòu)阻尼比；gR為共振響應峰值系數(shù)（10 min周期），gR=［2loge（600na）］0.5。動力響應系數(shù)的計算按澳標第6章的相關(guān)規(guī)定進行。

從公式上可以看出，中澳標準考慮第一振型的隨機振動理論推導得出的動力系數(shù)均大于1.0。中澳標準的公式都很復雜，均考慮了地形類別、背景系數(shù)以及共振系數(shù)等因素的影響，但公式表現(xiàn)形式不同。

4　算例

算例一某封閉建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。平面尺寸為20 m×20 m，總高度為20 m，平屋面。共6層，每層高約3.33 m。位于澳標風壓分區(qū)W區(qū)，粗糙度類別2類，建筑重要性等級為2級，重現(xiàn)期500年基本風速為51 m/s。方向系數(shù)Md取0.95，第一振型自振頻率na為3.3 Hz。相應中標風載參數(shù)，粗糙度類別為B類，基本風速為30 m/s。根據(jù)相關(guān)條款，中標風振系數(shù)βz=1.0，澳標動力響應系數(shù)Cdyn=1.0。為便于計算，將總高20 m分為兩段，下部10 m及上部10 m?；谥邪臉藴实娘L荷載計算對比詳見表9。

表9　中澳風荷載計算對比

算例二某鋼結(jié)構(gòu)框架，設(shè)鋼支撐，金屬墻板圍護。平面尺寸為30 m×30 m，層高3.33 m，共30層，總高度為100 m，平屋面。澳標風載參數(shù)：位于澳標風壓分區(qū)W區(qū)，粗糙度類別2類，建筑重要性等級為3級，重現(xiàn)期1000年基本風速為53 m/s。方向系數(shù)Md取0.95，第一振型自振頻率na為0.27 Hz。相應的中標參數(shù)：地面粗糙度類別B類，基本風速為31.1 m/s，結(jié)構(gòu)的基本自振周期3.75 s。該建筑為風敏高層，考慮1.1倍系數(shù)，中標ω0=0.66 kN/m2，澳標基于中澳標準的風荷載計算對比詳見表10，計算過程略。根據(jù)中澳標準的相關(guān)條款，需考慮動力系數(shù)，各分段點動力系數(shù)的對比見圖3，各分段點處風載值對比見圖4。為便于對比，圖中均取為10 m一段。

圖3　動力系數(shù)對比

圖4　風載對比

5　結(jié)論

根據(jù)文中對比研究，得出如下結(jié)論：

同一場地，中澳標準基本風速數(shù)值不同，因為中澳基本風速時距及重現(xiàn)期不同。中標基本風速時距為10 min，而澳標時距為3s。中標基本風速重現(xiàn)期取50年，而澳標重現(xiàn)期根據(jù)建筑重要性等級不同取值不同。

對于剛性建筑，基于澳標的風載值高于基于中標的風載值，主要原因是澳標計算剛性建筑時采用3 s基本風速，并且重現(xiàn)期也高于中標，該基本風速值遠大于中標的基本風速值。

對于柔性建筑，澳標的動力系數(shù)隨高度增加比較緩慢。中標的動力系數(shù)隨高度增加而快速增加。隨著高度增加，中澳標準動力系數(shù)的差距在加大。

對于柔性建筑，從地面起澳標的風載要高于中標，隨著高度增加，中澳風載間差距在減小，主要原因是風載動力系數(shù)及風壓高度變化系數(shù)澳標隨高度增加速度比中標慢。當建筑達到一定高度時，在某個高度中標風載可能超過澳標。

雖然澳標風載高于中標風載，但不可簡單認為澳標安全度高于中標。承載力極限狀態(tài)設(shè)計時中標風載分項系數(shù)1.4，澳標為1.0；另外還需對比抗力方面要求。

［1］ GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 ［S］.

［2］ AS/NZS 1170.2：2011，Australian/New Zealand Standard Structural design actions Part 2：wind actions［S］.

［3］ AS/NZS 1170.0：2002，Australian/New Zealand Standard Structural design actions Part 0：general principles［S］.

［4］ National Construction Code Series 2015 volume one［M］.Sydney： Australian Building Codes Board，2015.

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

［6］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］ 黃本才.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應用［M］.上海：同濟大學出版社，2001.

［8］劉天英，齊秋平.中外規(guī)范基本風速對比分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)：2012，27（12）.

［9］ 黃韜穎，楊慶山.中美澳風荷載規(guī)范重要參數(shù)的比較［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2007，（1）.

Comparison on Wind Load Action in Along-wind Direction Between Chinese and Australian Code

LIU Tian-ying， LU Hao， LI Xiao-qi
（North-East Electric Power Design Institute Company Ltd.， Changchun130021，China）

To exchange idea with Australian consultants conveniently for Chinese engineer and to know calculation about along-wind direction wind load action of Australian code， this paper introduces calculation about along-wind direction wind load action in Chinese code GB 50009-2012＜Load code for the design of building structures〉 and Australian code AS/ NZS 1170.2:2011 ＜Structural design actions Part 2: Wind actions〉. The comparison and study are made about the factors of along-wind direction wind pressure such as shape factor， exposure factor and dynamic effect factor in Chinese and Australian code respectively， and the further discussion is made about difference of these factors. The wind load value is compared between Chinese and Australian code with examples， the result shows that wind load based on Australian code is higher than that based on Chinese code for stiff building in the same site；for wind-sensitive flexible building， wind load based on Australian code is higher than that based on Chinese code from ground level， the difference of wind load between Australian code and Chinese code is reduced gradually along height. When the height of building reaches some value， the wind load based on Chinese code will exceed that based on Australian code at somewhere.

Chinese and Australian code； along-wind direction； wind load action.

TM621

B

1671-9913（2016）04-0061-06

2015-06-08

劉天英（1975- ），男，吉林長春人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計。