粵港荷載規(guī)范關(guān)于風荷載計算的對比研究

陳學偉， 辛展文， 楊 易， 林 哲

(1 WSP科進香港有限公司， 香港 999077; 2 拉瓦爾大學土木與水工程系， 魁北克市 G1V 0A6； 3 華南理工大學土木與交通學院， 廣州 510640)

0 引言

風荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的一項重要內(nèi)容，對沿海超高層建筑尤其重要。高層建筑抗風設(shè)計方法有規(guī)范設(shè)計、風洞試驗、數(shù)值風洞模擬仿真，其中規(guī)范是基準。目前，廣東省參照國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1]編制了廣東省標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(DBJ 15—101—2014)[2](簡稱廣東規(guī)范)，另外有部分抗風細節(jié)體現(xiàn)在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]中。香港地區(qū)按照2019年新修訂的CodeofpracticeonwindeffectsinHongKong2019[4](簡稱香港規(guī)范)實行。

根據(jù)ExplanatorynotestothecodeofpracticeonwindeffectsinHongKong2019[5](香港風荷載規(guī)范注釋)，2019年版香港規(guī)范與2004年版香港規(guī)范[6]相比，與國際規(guī)范更加接近，特別參考了澳大利亞/新西蘭規(guī)范 AS/NZS 1170.2、美國規(guī)范 ASCE 7-16和歐洲規(guī)范 BS EN 1991-1-4。

近年來，有關(guān)學者針對各國荷載規(guī)范中風荷載的計算進行了一系列的對比研究：朱凡等[7]比較了2004年版香港規(guī)范[6]與中國大陸《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)；劉剛[8]對中美規(guī)范中風荷載的計算分析進行了比較；趙楊等[9]從“陣風荷載因子”的角度對中美日加澳五國的荷載規(guī)范進行了系統(tǒng)性研究；夏瑞光[10]從平均風荷載和脈動風荷載的角度對比了中澳歐三個國家與地區(qū)的荷載規(guī)范；申躍奎等[11]對中美英三國荷載規(guī)范中風荷載的重要參數(shù)進行了比較。

對比廣東規(guī)范與香港規(guī)范中有關(guān)風荷載的計算，可為結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計和相關(guān)研究者提供參考，有利于了解廣東省、香港地區(qū)甚至其他國家與地區(qū)的荷載規(guī)范中有關(guān)風荷載計算的差異，對粵港兩地的工程項目尤其重要。

1 粵港荷載規(guī)范對比

廣東規(guī)范與香港規(guī)范對建筑主體結(jié)構(gòu)的風荷載計算不盡相同。本節(jié)總結(jié)了兩套規(guī)范風荷載計算參數(shù)與計算公式的差異性，從這兩方面進行對比分析。

1.1 計算公式

廣東規(guī)范與香港規(guī)范的基本計算公式對比見表1。兩套規(guī)范順風向風荷載的計算形式相似，但值得注意的是，廣東規(guī)范只需要計算兩個方向(X，Y向，圖1(a))的風荷載，而香港規(guī)范需要驗算四個方向(±X1，±X2向，圖1(b))風荷載，并且香港規(guī)范可以計算任意風向角下的風荷載，適用于更復(fù)雜的風環(huán)境。

圖1 風荷載計算方向示意圖

粵港荷載規(guī)范基本計算公式 表1

在橫風向風荷載計算上，廣東規(guī)范通過各樓層風荷載和基底總剪力來衡量風作用，香港規(guī)范則通過基底彎矩來衡量。

在計算得到橫風向基底彎矩后，香港規(guī)范需要根據(jù)橫風向基底彎矩對順風向風荷載進行修正，從而與橫風向基底彎矩相匹配，修正后的順風向風荷載將會增大，結(jié)果更為保守。廣東規(guī)范不需要修正順風向風荷載。

在計算扭轉(zhuǎn)風荷載時，香港規(guī)范采用一個更簡單的計算模型，將順風向風荷載作用點偏移一個水平距離e，扭轉(zhuǎn)風荷載等于該偏移距離乘以順風向風荷載，然后取四個方向下扭轉(zhuǎn)風荷載的較大值。相比之下，廣東規(guī)范扭轉(zhuǎn)風荷載的計算方法較為復(fù)雜，涉及更多參數(shù)。

廣東規(guī)范對順風向與橫風向的風振加速度分別規(guī)定了不同的計算公式，香港規(guī)范使用一個公式計算風振加速度。

1.2 基本參數(shù)

廣東規(guī)范與香港規(guī)范的計算參數(shù)在取值規(guī)定與測量方法上各有差異。部分計算參數(shù)命名有區(qū)別，但意義相同，比如廣東規(guī)范中的基本風壓和香港規(guī)范中的參考風壓，計算參數(shù)對比見表2。

粵港荷載規(guī)范基本計算參數(shù)對比 表2

2 工程實例計算

2.1 風荷載計算程序編寫

為了計算與比較適用粵港兩地不同荷載規(guī)范體系下的風荷載計算結(jié)果，使用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言Delphi編制風荷載計算程序[12-13]。該計算程序具有檢驗規(guī)范適用條件、進行風荷載分析、生成風荷載計算簡圖及導出計算結(jié)果到Excel等功能。程序界面如圖2所示。

圖2 風荷載計算程序運行界面

計算程序可以在不建模的情況下，通過讀取建筑尺寸、結(jié)構(gòu)動力特性、風氣候特征等參數(shù)信息，計算出建筑結(jié)構(gòu)的順風向風荷載、橫風向風荷載、扭轉(zhuǎn)風荷載與風振加速度。風荷載計算程序結(jié)果輸出界面見圖3。

圖3 風荷載計算軟件結(jié)果輸出示意圖

2.2 程序計算結(jié)果準確性檢驗

利用編寫得到的計算程序，對某地上67層的超高層建筑進行風荷載計算。該超高層建筑結(jié)構(gòu)總高度295.1m，建筑長度46.9m，寬度46.9m，建筑平面體型為方形，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為131 220t，順風向基本自振周期為6.786s，橫風向基本自振周期為6.3s，阻尼比取0.05，舒適度阻尼比為0.02。

廣東規(guī)范與香港規(guī)范對部分風荷載計算參數(shù)的取值與規(guī)定不盡相同，這些參數(shù)包括基本風壓和地面粗糙度。在本算例中，根據(jù)廣東規(guī)范進行計算時，基本風壓取0.75kN/m2，地面粗糙度為B類地貌。根據(jù)香港規(guī)范進行計算時，參考風壓按表3[4]采用，該參數(shù)在香港規(guī)范風荷載分析中所起的作用，相當于廣東規(guī)范中基本風壓與風壓高度變化系數(shù)的乘積，此參數(shù)在兩套規(guī)范中的取值對比可見3.5節(jié)。

參考風壓 Qoz[4] 表3

香港規(guī)范在香港全地區(qū)采取統(tǒng)一的地面粗糙度，對周邊地形與周圍建筑群的考慮體現(xiàn)在地形因子和折減高度兩個參數(shù)上，在本算例中，對應(yīng)廣東規(guī)范中對B類地貌的定義(田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn))，折減高度可取0，地形因子取1。建筑結(jié)構(gòu)整體模型如圖4所示。

圖4 工程實例分析模型

使用PKPM對基于廣東規(guī)范自編的風荷載計算程序的電算結(jié)果進行檢驗[14]，對比結(jié)果顯示PKPM與自編軟件計算得到的順風向基底總剪力相差1.86%，橫風向基底總剪力只相差0.34%。各層風荷載計算結(jié)果對比見圖5。

圖5 自編程序與PKPM風荷載計算結(jié)果對比

兩個軟件風荷載計算結(jié)果在層高變化的樓層有差別，PKPM比自編程序計算結(jié)果稍大，其中首層和頂層的計算結(jié)果誤差最大，其余結(jié)果接近。差異出現(xiàn)的原因可能是PKPM軟件在計算風荷載時，考慮了其他效應(yīng)的影響，這個效應(yīng)與層高的變化和邊界條件的改變有關(guān)。

基于香港規(guī)范自編的風荷載計算軟件的準確性，通過手算屋面層的順風向風荷載、橫風向基底彎矩、扭矩、風振加速度進行校核，最后得到的計算結(jié)果和程序運行結(jié)果相吻合，見表4。

屋面層風荷載計算結(jié)果對比 表4

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 順風向風荷載結(jié)果對比

兩套規(guī)范的順風向風荷載計算結(jié)果對比見圖6，香港規(guī)范中規(guī)定的+X1，+X2向相當于廣東規(guī)范中的X，Y向。

圖6 粵港荷載規(guī)范順風向風荷載對比

從計算結(jié)果對比分析可得：1)兩套規(guī)范計算得到的順風向風荷載沿層高變化趨勢一致，但在層高變化的樓層，香港規(guī)范的風荷載變化比廣東規(guī)范顯著；2)廣東規(guī)范計算得到的X向順風向風荷載作用下的基底總剪力比香港規(guī)范小64.98%，Y向順風向風荷載作用下的基底總剪力比香港規(guī)范小61.64%；3)X向順風向風荷載偏差比Y向的大。

3.2 橫風向風荷載結(jié)果對比

在分析建筑結(jié)構(gòu)的橫風向風荷載時，廣東規(guī)范給出了各樓層橫風向風力的計算公式，利用該公式，可計算得橫風向基底剪力、橫風向基底彎矩。然而，香港規(guī)范只給出了橫風向基底彎矩的計算公式。要對比分析兩套規(guī)范的橫風向風荷載效應(yīng)，需要先根據(jù)廣東規(guī)范計算出各樓層橫風向風力，在此基礎(chǔ)上算得橫風向基底彎矩，再與根據(jù)香港規(guī)范算得的橫風向基底彎矩進行對比。

根據(jù)廣東規(guī)范計算而得的各層橫風向風荷載如圖7所示。

圖7 廣東規(guī)范橫風向風荷載計算結(jié)果

通過各樓層的橫風向風荷載，計算得廣東規(guī)范下X，Y向橫風向基底彎矩分別為8.8×106，1.07×107kN·m。根據(jù)香港規(guī)范公式計算的橫風向基底彎矩X，Y向分別為1.20×107，1.34×107kN·m。廣東規(guī)范橫風向基底彎矩與香港規(guī)范相比，X向減小25.94%，Y向減小20.13%。

由此可知：1)兩套規(guī)范衡量橫風向風效應(yīng)的計算參數(shù)和公式不同，廣東規(guī)范給出計算各層橫風向風荷載的公式，香港規(guī)范給出橫風向基底彎矩的公式；2)廣東規(guī)范計算得到的橫風向基底彎矩比香港規(guī)范小，在本算例中X，Y向分別減小25.94%和20.13%；3)從本算例可知兩套規(guī)范下X向的橫風向基底彎矩偏差比Y向大。

3.3 扭轉(zhuǎn)風荷載結(jié)果對比

香港規(guī)范在計算扭轉(zhuǎn)風荷載時，取四個方向上計算得到的扭轉(zhuǎn)風荷載的較大值；廣東規(guī)范采用一個公式進行計算。根據(jù)兩套規(guī)范計算的扭轉(zhuǎn)風荷載結(jié)果如圖8所示。

圖8 粵港荷載規(guī)范扭轉(zhuǎn)風荷載對比

在8層以下，香港規(guī)范計算得到的扭轉(zhuǎn)風荷載比廣東規(guī)范大；在8層及以上，香港規(guī)范扭轉(zhuǎn)風荷載的計算結(jié)果比廣東規(guī)范小，兩者之間的偏差隨著層高的增加而增大，最大偏差出現(xiàn)在頂層，香港規(guī)范下的扭轉(zhuǎn)風荷載比廣東規(guī)范小48.54%?？梢娫诘蜆菍酉愀垡?guī)范考慮的扭轉(zhuǎn)風荷載比廣東規(guī)范大，而在高樓層廣東規(guī)范下的扭轉(zhuǎn)風荷載更大。

3.4 風振加速度計算結(jié)果對比

在本算例中，根據(jù)廣東規(guī)范計算風振加速度時，10年重現(xiàn)期風壓取0.45kN/m2，計算得風振加速度為0.119m/s2(順風向)和0.337m/s2(橫風向)。根據(jù)香港規(guī)范，回歸周期取10年，計算得風振加速度為0.319m/s2，對應(yīng)的方向為橫風向，該值與廣東規(guī)范計算得到的橫風向風振加速度(0.337m/s2)接近，兩套規(guī)范的風振加速度計算結(jié)果相似。

3.5 不同高度處參考風壓對比

為了進一步了解風荷載計算結(jié)果的差異由來，本文對計算過程中涉及的參數(shù)、不同高度處的風壓值進行計算分析。根據(jù)香港規(guī)范，全香港地區(qū)采取統(tǒng)一的地面粗糙度。廣東規(guī)范部分取沿海城市深圳所采用的基本風壓0.90kN/m2進行對比，對應(yīng)回歸周期100年。這一基本風壓比廣東省其他大部分城市的基本風壓大。計算結(jié)果對比見圖9。

圖9 粵港荷載規(guī)范采用風壓值對比

由圖9可見：1)兩套規(guī)范采用的風壓值沿層高變化趨勢大致相同；2)廣東規(guī)范所采用的基本風壓值比香港規(guī)范的?。?)廣東規(guī)范中沿海地區(qū)A類地面粗糙度下的風壓值與香港地區(qū)采用的風壓值最接近。

香港規(guī)范下的順風向風荷載和風壓值均比廣東規(guī)范大，由此可見兩套規(guī)范下順風向風荷載的其中一部分差異是由風壓值的不同引起的，風壓值的取值差別來自于測量方法的差異(表2)。

4 結(jié)論

風荷載是建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的重要基準，涉及建筑結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟。本文在深入研究和詳細對比粵港荷載規(guī)范基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范中的風荷載計算模型，使用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言Delphi成功編制了兩款風荷載計算程序。通過對一棟超高層建筑

工程實例的風荷載分析，驗證了風荷載計算程序的準確性，計算精度達到商用軟件PKPM標準，對比了兩套規(guī)范下順風向風荷載、橫風向風荷載、扭轉(zhuǎn)風荷載、風振加速度和不同高度處參考風壓的計算結(jié)果。通過規(guī)范對比和工程算例發(fā)現(xiàn)，粵港兩地荷載規(guī)范的計算模型、基本參數(shù)、計算公式存在差異，由此導致粵港鄰近地區(qū)的建筑，即使建筑體型和結(jié)構(gòu)動力特性相似，但風荷載取值存在顯著差異。