中美規(guī)范風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)定對比研究

曲鵬

（上海電氣電站工程公司，上海 201199）

1 引言

近年來，上海電氣電站工程公司作為總承包方承接了多項海外燃煤、燃油、燃?xì)饣鹆Πl(fā)電項目。很多項目要求采用美國規(guī)范作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，部分項目可以采用中國規(guī)范設(shè)計，但業(yè)主提供的風(fēng)荷載參數(shù)等輸入條件是基于美國規(guī)范提出的。在項目的設(shè)計過程中，經(jīng)常遇到由于中國規(guī)范和美國規(guī)范規(guī)定差異導(dǎo)致的風(fēng)荷載參數(shù)取值不同給工程結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的困擾[1]。為了適應(yīng)海外工程的設(shè)計需要，了解中國規(guī)范與美國規(guī)范關(guān)于風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)定的差異是十分必要的。本文基于中國規(guī)范GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]和美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[3]，對基本風(fēng)速、基本風(fēng)壓和風(fēng)速壓力、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)荷載設(shè)計壓力、地面粗糙度類別和暴露類別、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)、最小風(fēng)壓等風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)定做了對比研究。

2 基本風(fēng)速

中國和美國風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)范在確定基本風(fēng)速時，選取的均是年最大風(fēng)速，并且選取的年最大風(fēng)速概率分布類型是一致的，均為極值I 型分布曲線[4]。中國規(guī)范GB 50009—2012 條款8.1.2 指出，基本風(fēng)速是高度10 m 處、地面粗糙度類別B 類的10 min 陣風(fēng)風(fēng)速，重現(xiàn)期為50 年。美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10 的26.3 節(jié)術(shù)語和符號解釋中給出基本風(fēng)速是高度10 m處、暴露類別C 類的3 s 陣風(fēng)風(fēng)速。ASCE/SEI 7-10 條款26.5.1指出，基本風(fēng)速的重現(xiàn)期按不同的結(jié)構(gòu)安全等級采用300 年、700 年、1 700 年不同的重現(xiàn)期。

離地面越近，風(fēng)能量受地表障礙物的影響產(chǎn)生的損耗就越大，因而風(fēng)速就越??；反之離地越高，則風(fēng)能量損耗就越少，風(fēng)速也就越大。因此，必須規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)高度以便于計算和比較[5]。中美規(guī)范對標(biāo)準(zhǔn)高度的規(guī)定是一致的，均為10 m?；撅L(fēng)速在這兩個規(guī)范之間相互轉(zhuǎn)換時，可不必考慮標(biāo)準(zhǔn)高度的影響。

地表越粗糙風(fēng)能量損耗就越大，因而風(fēng)速就越小。地面粗糙度越小，風(fēng)速就越高。因此，需要為風(fēng)速規(guī)定一個共同的地貌標(biāo)準(zhǔn)。GB 50009—2012 中基本風(fēng)速定義選用的地面粗糙度為B 類。ASCE/SEI 7-10 中基本風(fēng)速的定義是以C 類暴露類別為標(biāo)準(zhǔn)。兩國規(guī)范均按照地面情形劃分了地面粗糙度類別，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 類近似于GB 50009—2012 的B類，兩國規(guī)范基本風(fēng)速取值時選用的地表類別基本一致。

平均風(fēng)速時距，是用以表征觀測和統(tǒng)計風(fēng)速時規(guī)定的時間間隔。平均風(fēng)速時距越短，記錄得到的平均最大風(fēng)速越大。GB 50009—2012 規(guī)定的風(fēng)速時距為10 min。ASCE/SEI 7-10是以3 s 陣風(fēng)風(fēng)速作為平均風(fēng)速的樣本，即時距取為3 s。當(dāng)進行中國規(guī)范和美國規(guī)范基本風(fēng)速轉(zhuǎn)換時，需要對此重點考慮，即計算時需要換算成同一時距下的基本風(fēng)速。

重現(xiàn)期是指連續(xù)兩次超過規(guī)定值的時間間隔，中美兩國規(guī)范對基本風(fēng)速重現(xiàn)期的選擇不同。GB 50009—2012 規(guī)定風(fēng)速重現(xiàn)期為50 年。ASCE/SEI 7-10 規(guī)定基本風(fēng)速的重現(xiàn)期按不同的結(jié)構(gòu)安全等級采用300 年、700 年、1 700 年不同的重現(xiàn)期。在進行基本風(fēng)速轉(zhuǎn)換時需考慮此因素影響。

3 基本風(fēng)壓和風(fēng)速壓力

GB 50009—2012 附錄E.2.4 提出基本風(fēng)壓按式（1）確定：

式中，ρ為空氣密度；v為基本風(fēng)速。

ASCE/SEI 7-10 條款27.3.2 給出風(fēng)速壓力為：

式中，Kz為高度z處風(fēng)速壓力暴露系數(shù)；Kzt為地形系數(shù)；Kd為風(fēng)向系數(shù)。

ASCE/SEI 7-10 中沒有基本風(fēng)壓的概念，但是ASCE/SEI 7-10 給出了風(fēng)速壓力的概念。風(fēng)速壓力相當(dāng)于在基本風(fēng)壓的基礎(chǔ)上考慮了風(fēng)速壓力暴露系數(shù)、地形系數(shù)和風(fēng)向系數(shù)的影響。其中，風(fēng)向系數(shù)Kd中國規(guī)范沒有對應(yīng)的系數(shù)，風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz相當(dāng)于中國規(guī)范的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，中國規(guī)范對風(fēng)壓高度變化系數(shù)的地形修正系數(shù)相當(dāng)于美國規(guī)范中地形系數(shù)Kzt。

4 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)荷載設(shè)計壓力

GB 50009—2012 條款8.1.1 指出，主要承重結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

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)；w0為基本風(fēng)壓。

ASCE/SEI 7-10 第27 章給出建筑主要抗風(fēng)體系的風(fēng)荷載方向設(shè)計法，該方法又分為一般方向設(shè)計法和簡化的方向設(shè)計法。根據(jù)結(jié)構(gòu)的封閉程度、剛度、高度和不同的部位采用不同的表達(dá)式計算。例如ASCE/SEI 7-10 條款27.4.1 給出，封閉和半封閉剛性建筑的風(fēng)荷載設(shè)計壓力為：

式中，q和qi為風(fēng)速外壓力和內(nèi)壓力；G為陣風(fēng)影響系數(shù)，相當(dāng)于中國規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)；Cp為外壓系數(shù)，相當(dāng)于中國規(guī)范的風(fēng)荷載體型系數(shù)；GCpi為內(nèi)壓系數(shù)，中國規(guī)范沒有此概念。ASCE/SEI 7-10 第28 章給出風(fēng)荷載的包絡(luò)設(shè)計法，僅適用于封閉或半封閉的低層建筑物主要抗風(fēng)體系的風(fēng)荷載計算。第29 章給出其他類型結(jié)構(gòu)及建筑附屬物的主要抗風(fēng)體系的風(fēng)荷載計算方法。第30 章給出圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計方法。

GB 50009—2012 中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算較為簡單，對于很多常見的建筑外形都明確地標(biāo)明了風(fēng)荷載體型系數(shù)。而ASCE/SEI 7-10 中風(fēng)荷載設(shè)計壓力計算較為煩瑣，分類較為細(xì)致，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)給出了不同的設(shè)計公式，并且為便于實際設(shè)計，對一些常用結(jié)構(gòu)給出了簡化的計算方法。ASCE/SEI 7-10規(guī)范中無風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式，其給出的是對應(yīng)于設(shè)計值的風(fēng)荷載設(shè)計壓力計算，其對應(yīng)的荷載組合系數(shù)為1.0。ASCE/SEI 7-10 考慮建筑物內(nèi)部風(fēng)壓，引入了內(nèi)部風(fēng)壓系數(shù)，而GB 50009—2012 僅在驗算圍護構(gòu)件強度時，規(guī)定了內(nèi)表面局部風(fēng)壓體型系數(shù)。

5 地面粗糙度類別和暴露類別

GB 50009—2012 條款8.2.1 指出地面粗糙度可分為4 類：A、B、C、D。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、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(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)。確定了地面粗糙度類別后，便可根據(jù)GB 50009—2012 表8.2.1 確定風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

ASCE/SEI 7-10 條款26.7.2 指出了地面粗糙度類別的劃分。B 類指城鎮(zhèn)和城市郊區(qū)、樹林或具有大量密布的不小于單一家庭住宅面積的障礙物的區(qū)域。C 類指具有高度小于9.15 m的稀疏障礙物的空曠區(qū)域，包括平坦的鄉(xiāng)村、草場。D 類指平坦、無遮攔的區(qū)域，水面，包括平坦的海濱泥灘、鹽漬灘、未破壞的冰區(qū)。

ASCE/SEI 7-10 條款26.7.2 同時指出，定義地面粗糙度類別的目的是用于按照26.7.3 節(jié)的準(zhǔn)則劃定場地的暴露類別。暴露類別B 是指對于平均屋頂高度不大于9.15 m 的建筑物，在其上風(fēng)向至少457 m 范圍內(nèi)的地面粗糙度以B 類為主的地貌；對于平均屋頂高度大于9.15 m 的建筑物，在其上風(fēng)向至少792 m 或20 倍該建筑物高度（二者取大值）范圍內(nèi)的地面粗糙度以B 類為主的地貌。暴露類別C 用于暴露類別B 和D 不能應(yīng)用的其他所有情況。暴露類別D 是指在其上風(fēng)向至少792 m或20 倍該建筑物高度（二者取大值）范圍內(nèi)的地面粗糙度以D 類為主的地貌。確定了暴露類別之后，可以通過規(guī)范表格查找風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz。

兩國規(guī)范均按照地面情形劃分了地面粗糙度類別，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 類近似于GB 50009—2012 的B 類。GB 50009—2012 依據(jù)地面粗糙度類別便可確定風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ASCE/SEI 7-10 是根據(jù)暴露類別來確定風(fēng)速壓力暴露系數(shù)，地面粗糙度僅用于確定暴露類別，并不直接用于確定風(fēng)速壓力暴露系數(shù)的大小。GB 50009—2012 對于主抗風(fēng)系統(tǒng)和維護結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)均按照相同表格取值；ASCE/SEI 7-10 按照不同的結(jié)構(gòu)類型分別查找不同的表格取值風(fēng)速壓力暴露系數(shù)。

6 風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)

GB 50009—2012 條款8.3.1 指出，房屋和構(gòu)筑物的風(fēng)荷載體型系數(shù)可依據(jù)表8.3.1 采用，當(dāng)結(jié)構(gòu)體型與表中不同或?qū)τ谥匾殷w型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，由風(fēng)洞試驗確定。

ASCE/SEI 7-10 條款27.4.1、27.4.2 指出，對于封閉、半封閉的剛性和柔性結(jié)構(gòu)，在計算主抗風(fēng)系統(tǒng)時的外部風(fēng)壓系數(shù)通過查表27.4-1～ 表27.4-3 確定（此處所述圖表編號指ASCE/SEI 7-10 中的圖表編號，并非本文圖表編號，下文類同）。ASCE/SEI 7-10 條款27.4.3 指出，對于開放結(jié)構(gòu)，在計算主抗風(fēng)系統(tǒng)時的風(fēng)壓系數(shù)通過查表27.4-4～ 表27.4-7 確定。ASCE/SEI 7-10 條款28.4 指出，對于封閉或半封閉的低矮結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓系數(shù)GCpf通過查圖28.4-1 確定。此時陣風(fēng)系數(shù)和外部風(fēng)壓系數(shù)合并成一個系數(shù)，并且不允許被分開。ASCE/SEI 7-10 條款29.3.2 指出，對于自由墻體，風(fēng)壓系數(shù)Cf通過查圖29.4-1 確定；對于煙囪、罐體和屋面設(shè)備，風(fēng)壓系數(shù)Cf通過查圖29.5-1 確定；對于開放標(biāo)示牌、格構(gòu)式框架，風(fēng)壓系數(shù)Cf通過查圖29.5-2 確定。ASCE/SEI 7-10 條款30.4.2 指出，對于圍護結(jié)構(gòu)的外部風(fēng)壓系數(shù)，查圖30.4-1～圖30.4-7 確定。

兩國標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了對于體型復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)，或者沒有相關(guān)資料為依據(jù)的情況下，應(yīng)由風(fēng)洞試驗來確定體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)。ASCE/SEI 7-10 在確定封閉或半封閉的低矮結(jié)構(gòu)以及圍護結(jié)構(gòu)的外部風(fēng)壓系數(shù)時，將各受風(fēng)面細(xì)分為若干風(fēng)壓區(qū)，不同分區(qū)采用不同風(fēng)壓系數(shù)；中國規(guī)范沒有對受風(fēng)面進行分區(qū)。ASCE/SEI 7-10 考慮了建筑物內(nèi)部風(fēng)壓，引入了內(nèi)部風(fēng)壓系數(shù)；中國規(guī)范僅在驗算維護構(gòu)件強度時規(guī)定了內(nèi)表面局部風(fēng)壓體型系數(shù)。ASCE/SEI 7-10 對于高度小于48.8 m 且具有簡單外形的結(jié)構(gòu)，不再規(guī)定單獨的外部風(fēng)壓系數(shù)，而是直接提供表格計算受風(fēng)面的風(fēng)壓力；對于封閉或半封閉的低矮結(jié)構(gòu)，外部風(fēng)壓系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)合并成一個系數(shù)，并且不允許被分開；中國規(guī)范中各受風(fēng)面則始終有體型系數(shù)。

7 最小風(fēng)壓

GB 50009—2012 和ASCE/SEI 7-10 對于最小風(fēng)壓值規(guī)定不同。GB 50009—2012 條款8.1.2 提出基本風(fēng)壓不得小于0.3 kN/m2。ASCE/SEI 7-10 條款27.4.7 及條款28.4.4 提出設(shè)計主抗風(fēng)系統(tǒng)的最小風(fēng)荷載設(shè)計壓力不小于0.77 kN/m2乘以垂直風(fēng)荷載方向的墻面面積與0.38 kN/m2乘以屋面豎直投影面積兩者之和。ASCE/SEI 7-10 的29.8 節(jié)提出其他結(jié)構(gòu)的最小風(fēng)荷載設(shè)計壓力不小于0.77 kN/m2乘以結(jié)構(gòu)在垂直風(fēng)荷載方向的面積或投影面積。

8 結(jié)語

本文基于中國規(guī)范GB 50009—2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 和美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures，對風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)定做了對比研究。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，在基本風(fēng)速定義、基本風(fēng)壓和風(fēng)速壓力計算、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)荷載設(shè)計壓力計算、地面粗糙度類別和暴露類別定義、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)取值、最小風(fēng)壓取值等方面，兩國規(guī)范規(guī)定均存在顯著差異。在涉外項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要對這些差異給予足夠的重視。