中菲標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載對(duì)比研究

劉天英，段英連，顧赫巍

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

菲律賓境內(nèi)的火電項(xiàng)目建設(shè)基本由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，確認(rèn)工作由菲律賓本國(guó)工程師或聘請(qǐng)發(fā)達(dá)國(guó)家的咨詢(xún)工程師來(lái)完成。菲律賓工程師不了解中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中標(biāo))，中國(guó)工程設(shè)計(jì)人員正好相反，這就阻礙圖紙的確認(rèn)。菲律賓標(biāo)準(zhǔn)(菲標(biāo))大部分源于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，更新速度沒(méi)有美標(biāo)快，兼有自己的特點(diǎn)。

菲律賓項(xiàng)目風(fēng)載參數(shù)一般源于菲標(biāo)，如果使用不當(dāng)，會(huì)造成設(shè)計(jì)反復(fù)，工期拖延，甚至?xí)鸸こ田L(fēng)險(xiǎn)。為便于交流并順利執(zhí)行菲境內(nèi)項(xiàng)目，需要進(jìn)一步了解菲標(biāo)。風(fēng)載為作用在建(構(gòu))筑物上的基本荷載之一，?？刂平?構(gòu))筑物的安全。風(fēng)載進(jìn)一步細(xì)分為順風(fēng)向風(fēng)載(平行于風(fēng)向)、橫風(fēng)向風(fēng)載(垂直于風(fēng)向)和扭轉(zhuǎn)風(fēng)載。順風(fēng)向風(fēng)載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常遇到，所以有必要對(duì)中菲標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，找出差異并研究對(duì)結(jié)果的影響。

1 順風(fēng)向風(fēng)壓

中標(biāo)GB 50009考慮地面粗糙程度、建(構(gòu))筑物的體型和尺寸以及建(構(gòu))筑物自身動(dòng)力特性對(duì)風(fēng)載的影響，給出順風(fēng)向風(fēng)載的計(jì)算公式。當(dāng)計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，順風(fēng)向荷載標(biāo)準(zhǔn)值如下：

式中：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)；ω0為基本風(fēng)壓(kN/m2)。按照經(jīng)典的貝努利公式，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，基本風(fēng)壓ω0＝ν02/1 600＝ 0.000 625ν02(kN/m2)，其中ν0為基本風(fēng)速(m/s)。為便于對(duì)比，變換一下單位，則ωk＝ 0.625βzμsμzν02(N/m2)。

菲標(biāo)對(duì)于所有高度剛性建筑的主要受力體系設(shè)計(jì)風(fēng)壓為：

對(duì)于所有高度柔性建筑的主要受力體系設(shè)計(jì)風(fēng)壓為：

式中：q為風(fēng)速壓力，對(duì)于迎風(fēng)面墻q＝qz，按地面以上高度z處的風(fēng)速壓力計(jì)算；對(duì)于背風(fēng)面墻、側(cè)墻、屋面q＝qh，按屋面平均高度h處的風(fēng)速壓力計(jì)算；G、Gf為陣風(fēng)系數(shù)；Cp為外部壓力系數(shù)；Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù)；qi為內(nèi)壓。為便于對(duì)比，不考慮內(nèi)壓，則菲標(biāo)公式簡(jiǎn)化為p＝qGCp及p＝qGfCp。其中：

式中：V為基本風(fēng)速(km/h)；Kz為風(fēng)壓暴露系數(shù)；Kzt為特殊地形系數(shù)，對(duì)于一般地形，取1.0；Kd為方向系數(shù)，對(duì)于主要抗風(fēng)體系取0.85；Iw為重要性系數(shù)。對(duì)于位于一般地區(qū)的建筑物，為建立順風(fēng)向風(fēng)壓p與基本風(fēng)速V的關(guān)系，進(jìn)一步推導(dǎo)得出，p＝47.3×10為 6GCPKzKdV2Iw(kN/m2)或p＝ 47.3×10為6GfCPKzKdV2Iw(kN/m2)。將基本風(fēng)速V單位調(diào)整為 m/s，則p＝0.613GCPKzKdV2Iw(N/m2)或p＝0.613GfCPKzKdV2Iw(N/m2)。從中菲標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)壓的公式中可以看出，風(fēng)壓均是在基本風(fēng)速平方的基礎(chǔ)上乘以一系列系數(shù)得到。數(shù)值系數(shù)有一定的差異，主要是空氣密度取值不同造成。中標(biāo)公式中沒(méi)有重要性系數(shù)Iw，但中標(biāo)規(guī)定對(duì)于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)適當(dāng)提高，承載力設(shè)計(jì)時(shí)可按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。中標(biāo)沒(méi)有方向系數(shù)概念，其他系數(shù)雖然在形式有點(diǎn)區(qū)別，但各系數(shù)之間有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)壓系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 基本風(fēng)速

從中標(biāo)基本風(fēng)壓定義可以推出基本風(fēng)速V0定義為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛?標(biāo)準(zhǔn)中地面粗糙度B類(lèi))上10 m高度處50年一遇10 min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。菲標(biāo)基本風(fēng)速V定義與中標(biāo)不同，為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛?標(biāo)準(zhǔn)中地面粗糙度C類(lèi))上10 m高度處3 s內(nèi)的平均最大風(fēng)速，年超越概率為0.02，也就是平均重現(xiàn)期為50年。

雖然中標(biāo)和菲標(biāo)基本風(fēng)速的時(shí)距不同，但可以進(jìn)行換算。目前不同時(shí)距間的基本風(fēng)速換算是依據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASCE 7-10規(guī)范提供“t秒鐘的平均最大風(fēng)速與1小時(shí)平均風(fēng)速之比”曲線(xiàn)對(duì)不同時(shí)距的風(fēng)速進(jìn)行相互換算，見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出V3/V3600=1.52，V600/V3600=1.07，其中V3為3 s時(shí)距風(fēng)速，V600為10 min時(shí)距風(fēng)速，V3600為1 h時(shí)距風(fēng)速。則求得V600= 1.07V3/1.52=0.70V3?？梢?jiàn)對(duì)于同一地區(qū)，中標(biāo)的基本風(fēng)速相當(dāng)于菲標(biāo)基本風(fēng)速值的0.7倍。

圖1 t秒鐘的平均最大風(fēng)速Vt與1 h平均風(fēng)速V3600之比

3 基本風(fēng)壓參數(shù)

3.1 重要系數(shù)

為了提高安全度，中標(biāo)規(guī)定，僅對(duì)于高層、高聳以及風(fēng)敏結(jié)構(gòu)，其基本風(fēng)壓可以提高1.1倍。對(duì)于其他的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有要求。菲標(biāo)則根據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同將其分為5個(gè)使用類(lèi)別，分別取不同的重要性系數(shù)Iw，詳見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)使用類(lèi)別的詳細(xì)描述見(jiàn)表3。

表2 重要性系數(shù)

表3 使用類(lèi)別

3.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度增加而增大。風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度。在這一點(diǎn)上，中標(biāo)和菲標(biāo)一樣。中菲標(biāo)準(zhǔn)分別采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz和風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz來(lái)體現(xiàn)風(fēng)壓變化，其實(shí)就是體現(xiàn)在不同粗糙度地面風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律。中標(biāo)地面粗糙度分為A、B、C、D四類(lèi)，菲標(biāo)地面粗糙度分為B、C、D三類(lèi)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的描述，中菲標(biāo)準(zhǔn)地形類(lèi)別的劃分存在大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳見(jiàn)表4。

表4 中美標(biāo)準(zhǔn)地形類(lèi)別對(duì)比

為便于應(yīng)用，中標(biāo)風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值列于GB 50009表8.2.1，可直接查閱。菲標(biāo)將150 m以下風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz給出，詳見(jiàn)表6。表中情況1用構(gòu)件和圍護(hù)以及低矮建筑主要抗風(fēng)體系，情況2用于柔性結(jié)構(gòu)主要抗風(fēng)體系。表6中的值適用于150 m以下情況，菲標(biāo)中風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz也可按下式計(jì)算確定：

式中：α為指數(shù)；zg為大氣邊界層高度(m)，見(jiàn)表5。

表5 指數(shù)α、大氣邊界層高度zg取值

表6 風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz

從風(fēng)壓高度變化系數(shù)的列表中，同一地形類(lèi)別，中菲梯度風(fēng)高度是不同的?？梢钥闯鲋袠?biāo)A類(lèi)地形的梯度風(fēng)高度為300 m，B、C、D類(lèi)梯度風(fēng)高度分別為350 m、450 m、550 m。而菲標(biāo)B類(lèi)地形的梯度風(fēng)高度為365 m，C、D類(lèi)275 m、215 m。對(duì)中標(biāo)地形類(lèi)別B，100 m處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz,100為2.00，而10 m處μz,100為1.0，二者比值為2。對(duì)菲標(biāo)地形類(lèi)別C，100 m處風(fēng)壓暴露系數(shù)K100為1.62，而10 m處K10為1.0，二者比值為1.62。同一地形類(lèi)別中，中標(biāo)不同高度處風(fēng)壓高度變化系數(shù)與10 m處風(fēng)壓高度變化系數(shù)的比值要高于菲標(biāo)。也就是說(shuō)，中標(biāo)風(fēng)速隨高度的變化要快于美標(biāo)，主要是由于梯度風(fēng)高度和指數(shù)不同造成。

3.3 體型系數(shù)

風(fēng)荷載體型系數(shù)是用來(lái)反映作用在建筑表面上實(shí)際壓力與速度壓的比值關(guān)系，該系數(shù)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或在建筑物實(shí)測(cè)得到，也有國(guó)家稱(chēng)為壓力系數(shù)、力系數(shù)、氣體力學(xué)系數(shù)等。該系數(shù)主要與建筑物的體型和尺寸有關(guān)，因此中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為風(fēng)荷載體型系數(shù)，實(shí)際就是面上的加權(quán)平均壓力系數(shù)。中標(biāo)表8.3.1中詳細(xì)列出不同類(lèi)型的建筑物和各類(lèi)結(jié)構(gòu)體型及其體型系數(shù)μs。對(duì)于小于45 m常規(guī)矩形截面建筑物的體型系數(shù)，迎風(fēng)面為＋0.8，為壓力，背風(fēng)面－0.5，為吸力。對(duì)于超過(guò)45 m的矩形截面建筑物體型系數(shù)，還與矩形的長(zhǎng)寬比有關(guān)。

與中標(biāo)風(fēng)荷載體型系數(shù)對(duì)應(yīng)的是菲標(biāo)壓力系數(shù)Cp，在菲標(biāo)NSCP C101中圖207-6中給出常規(guī)矩形不同屋面形式建筑物的壓力系數(shù)。對(duì)于常規(guī)矩形建筑，與中標(biāo)不同的是，不論多高，背風(fēng)面的壓力系數(shù)均與建筑長(zhǎng)寬比有關(guān)，詳見(jiàn)表7。

表7 墻壓力系數(shù)Cp

3.4 風(fēng)振系數(shù)

中標(biāo)規(guī)定以下情況考慮風(fēng)振系數(shù)：對(duì)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)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。對(duì)于一般豎向懸臂型結(jié)構(gòu)，例如高層建筑和構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，均可僅考慮第一振型的影響。z高度處的風(fēng)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(qiáng)度，對(duì)應(yīng)A、B、C和D類(lèi)地面粗糙度，分別取0.12、0.14、0.23和0.39；R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子。風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算按中標(biāo)第8.4節(jié)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，不再贅述。菲標(biāo)剛性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)G取0.85或根據(jù)公式

式中：Iz為z高度處的紊流強(qiáng)度；Q為背景響應(yīng)系數(shù)；R為共振響應(yīng)系數(shù)；gQ、gR、gV為規(guī)范取值系數(shù)。菲標(biāo)將基本自振頻率小于1 Hz的細(xì)長(zhǎng)建筑物定義為柔性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足以下條件：平均屋面高度h小于或等于18 m；平均屋面高度h不超過(guò)最小的水平尺寸。菲標(biāo)計(jì)算陣風(fēng)效應(yīng)Gf時(shí)，并沒(méi)有分段計(jì)算，而是采用結(jié)構(gòu)相當(dāng)高度0.6 h處的Gf來(lái)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)系數(shù)。中菲標(biāo)風(fēng)動(dòng)力系數(shù)雖然公式不同，但均考慮了地形類(lèi)別、背景分量以及共振分量等因素。從公式中可以看出，中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)永遠(yuǎn)大于1，而菲標(biāo)陣風(fēng)效應(yīng)效數(shù)則可能小于1。

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14。共4層，下部3層層高3.33 m，頂層層高4 m。位于菲標(biāo)地形類(lèi)別為C類(lèi)，風(fēng)壓分區(qū)2區(qū)，基本風(fēng)速為200 km/h。使用類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，重要性系數(shù)Iw為1.0。相應(yīng)中標(biāo)的粗糙度類(lèi)別B類(lèi)，基本風(fēng)速為39 m/s。根據(jù)相關(guān)條款，中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)βz＝1.0，菲標(biāo)的陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)G可取0.85。為便于計(jì)算，將總高14 m分為兩段，下部10 m及上部4 m。基于中菲標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比詳見(jiàn)表8，計(jì)算過(guò)程略。

表8 中菲風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比

算例二某鋼支撐框架結(jié)構(gòu)，金屬墻板封閉。平面尺寸為30 m×30 m，層高3.33 m，共30層，總高度為100 m。菲標(biāo)參數(shù)：地形類(lèi)別為C類(lèi)，風(fēng)壓分區(qū)2區(qū)，基本風(fēng)速為200 km/h。使用類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，重要性系數(shù)Iw為1.15。相應(yīng)的中標(biāo)參數(shù)：地面粗糙度類(lèi)別B類(lèi)，基本風(fēng)速為39 m/s，考慮1.1倍后基本風(fēng)壓ω0＝1.05 kN/m2。結(jié)構(gòu)的基本自振周期3.75 s，第一振型自振頻率為0.3 Hz?；谥袠?biāo)GB 50009的風(fēng)荷載計(jì)算詳見(jiàn)表9，基于菲標(biāo)NSCP C101的風(fēng)荷載計(jì)算詳見(jiàn)表10，本例剛度、質(zhì)量沿高度均勻分布，計(jì)算過(guò)程略。為便于對(duì)比，圖中均取為10 m一段。

根據(jù)表9及表10，中菲標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)面墻風(fēng)壓對(duì)比詳見(jiàn)圖2，背風(fēng)面墻風(fēng)壓對(duì)比詳見(jiàn)圖3。中菲標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)的動(dòng)力系數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)圖4，分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比詳見(jiàn)圖5。

表9 中標(biāo)風(fēng)荷載計(jì)算

表10 菲標(biāo)風(fēng)荷載計(jì)算

圖2 中菲迎風(fēng)面墻風(fēng)壓對(duì)比

圖3 中菲背風(fēng)面墻風(fēng)壓對(duì)比

圖4 中菲風(fēng)的動(dòng)力系數(shù)對(duì)比　

圖5 中菲分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)文中對(duì)比研究，得出如下結(jié)論。

(1)同一場(chǎng)地，中菲標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速數(shù)值不同，因?yàn)橹蟹苹撅L(fēng)速時(shí)距不同。中標(biāo)基本風(fēng)速時(shí)距為10 min，而菲標(biāo)時(shí)距為3s。

(2)對(duì)于常規(guī)矩形截面建筑，中菲標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載體型系數(shù)相近，而同一場(chǎng)地風(fēng)壓高度變化系數(shù)中標(biāo)變化幅度要大于菲標(biāo)。

(3)建筑背風(fēng)面的風(fēng)壓菲標(biāo)沿高度為一直線(xiàn)，因?yàn)榉茦?biāo)對(duì)于背風(fēng)面全部高度均取屋面高度處風(fēng)壓。

(4)中菲標(biāo)準(zhǔn)確定剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)時(shí)限制條件不同。動(dòng)力系數(shù)中標(biāo)高于菲標(biāo)，隨高度增加，差距加大。菲標(biāo)陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)取相當(dāng)高度0.6h處的值進(jìn)行計(jì)算，沿高度方向也呈一直線(xiàn)。

(5)同一場(chǎng)地?zé)o論剛性建筑還是柔性建筑，基于菲標(biāo)的風(fēng)載基底剪力要高于基于中標(biāo)的風(fēng)載基底剪力。對(duì)于柔性建筑，從地面起菲標(biāo)的風(fēng)載要高于中標(biāo)，隨著高度增加，中菲風(fēng)載間差距在減小，主要原因是風(fēng)載動(dòng)力系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)菲標(biāo)隨高度增加速度比中標(biāo)慢。當(dāng)建筑達(dá)到一定高度時(shí)，在某個(gè)高度中標(biāo)風(fēng)載可能超過(guò)菲標(biāo)。

(6)當(dāng)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，中標(biāo)風(fēng)載分項(xiàng)系數(shù)1.4，菲標(biāo)為1.6。從荷載上看，菲標(biāo)要高于中標(biāo)，但不可簡(jiǎn)單認(rèn)為菲標(biāo)安全度高于中標(biāo)，因?yàn)榭沽Ψ矫嬉泊嬖诓町?，需進(jìn)一步對(duì)比。

(7)通過(guò)對(duì)比，使設(shè)計(jì)人員正確使用菲境內(nèi)項(xiàng)目風(fēng)載參數(shù)，降低關(guān)于風(fēng)載方面的工程風(fēng)險(xiǎn)并順利執(zhí)行項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn):

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