中美規(guī)范中風(fēng)荷載計算的不同與對比

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)荷載計算的不同與對比

晏 琴

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司,上海200090)

當(dāng)空氣流動時,風(fēng)對工程結(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)。各國規(guī)范中,對風(fēng)荷載的要求也大不相同。通過比較,對國內(nèi)外3種常用規(guī)范的內(nèi)容進行了對比和總結(jié),為相關(guān)設(shè)計方案提供參考。

機組;風(fēng)荷載;風(fēng)速;計算;標準;對比;設(shè)計;參考

0 概 述

因為海外工程項目越來越多地進入國內(nèi)設(shè)計公司,所以,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,不僅要熟練掌握國內(nèi)的設(shè)計規(guī)范,還要靈活應(yīng)用外國的設(shè)計規(guī)范。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中,確定荷載的取值和組合方式,是設(shè)計前的首要任務(wù)。風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一,對于風(fēng)荷載的計算,在各國的設(shè)計規(guī)范中,均有詳細的解說和計算方式。在國際上,認可度較高的荷載計算規(guī)范,分別為Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE7-10)和Uniform Building Code(UBC97)。我國的計算規(guī)范為GB5009-2012(建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范)。對于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)的荷載組合進行結(jié)構(gòu)分析,而不能再按其它規(guī)范進行荷載組合?，F(xiàn)通過實例,按3種規(guī)范中的要求,分別進行風(fēng)荷載的分析和計算,可直觀地發(fā)現(xiàn)各規(guī)范中的區(qū)別與計算上的差異。

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),該工程項目位于美國,地形平坦,高為10 m、暴露類別為C、時距為3 s的風(fēng)速值,為36 m/s。為簡化計算,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 我國現(xiàn)行荷載規(guī)范

根據(jù)我國現(xiàn)行荷載規(guī)范GB5009-2012中的規(guī)定,計算主要受力結(jié)構(gòu)時,計算風(fēng)荷載的標準值:

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?；撅L(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)計分析,確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速,按貝努利公式計算得:

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

在我國規(guī)范中,取10 min為平均風(fēng)速時距。各國規(guī)范中有不同的取值,美國、英國的規(guī)范中,取3s;前蘇聯(lián)取2 min;加拿大取60 min。對不同時距的風(fēng)速進行計算時,需進行換算。在國際電工委員會編寫的架空線路設(shè)計標準(IEC60826)中,在附錄A給出了不同時距的基本風(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,與我國規(guī)范中地面粗糙度的類別相同。

圖2 不同時距風(fēng)速換算曲線

根據(jù)輸入條件,時距為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,對應(yīng)的基本風(fēng)壓wo=0.625v20=0.42k N/m2。

我國規(guī)范中,對地面粗糙度,可分為A、B、C、D四類,而在美國規(guī)范標中,地面粗糙度分為B、C、D三類,兩者的對應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 中美規(guī)范中地面粗糙度的對照表

如在美國規(guī)范中,地面粗糙度為C類,在我國規(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)荷載標準值,如表2所示。

表2 我國規(guī)范中風(fēng)荷載的標準值(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)計荷載規(guī)范)

根據(jù)美國現(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)荷載標準值的計算:

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、時距3 s的風(fēng)速值。與我國規(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)險等級取值,風(fēng)險等級為Ⅰ類建筑物,對應(yīng)重現(xiàn)期MRI=300年;風(fēng)險等級為Ⅱ類建筑物,對應(yīng)重現(xiàn)期MRI=700年,風(fēng)險等級為Ⅲ、Ⅳ類建筑物,對應(yīng)重現(xiàn)期MRI=1700年。

風(fēng)向系數(shù)是對風(fēng)荷載進行折減,考慮了兩種情況的發(fā)生概率。最大的風(fēng)來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)荷載標準值,如表3所示。

表3 ASCE7-10規(guī)范中風(fēng)荷載標準值(kN/m2)

按荷載抗力系數(shù)設(shè)計法(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)一建筑標準)

在UBC97標準中,對風(fēng)荷載的規(guī)定較為簡單,風(fēng)荷載標準值的計算:

式中:p為高度Z處的設(shè)計風(fēng)壓;Ce為考慮了風(fēng)壓高度、暴露類別和陣風(fēng)影響的一個綜合系數(shù);Cq為體型系數(shù);qs為標準高度取10 m時的基本風(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)荷載標準值,如表4所示。

表4 UBC97規(guī)范中風(fēng)荷載標準值(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)范進行計算,在同一輸入條件下,將計算結(jié)果再乘以相應(yīng)的風(fēng)荷載組合值系數(shù),計算得到風(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

對于剛性較強,且高度不大于30m的鋼結(jié)構(gòu),按我國規(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)計荷載規(guī)范)計算,計算所得的結(jié)果相差不大。但在UBC97(統(tǒng)一建筑標準)中,沒有單獨給出風(fēng)振系數(shù)。所有類型的結(jié)構(gòu),必須按統(tǒng)一的參數(shù)進行計算,計算結(jié)果的偏大較大。所以,不建議采用UBC97規(guī)范對風(fēng)荷載進行計算,否則,計算的結(jié)果較為保守。

無論采用何種規(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)范進行設(shè)計,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)于同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè),從事空冷機組中鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。