建筑結構風荷載設計――中國標準與美國標準對照研究
2009-03-18 00:00
眾所周知，中國國家標準相關建筑結構設計規(guī)范，均參考了發(fā)達國家現(xiàn)有標準及試驗結果，包括美國，日本，加拿大等國家標準。我們采用的以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法，是世界通用的設計理論，荷載分項系數(shù)設計方法則與美國等主要發(fā)達國家的設計方法一致，PKPM 系列結構分析軟件更是吸收了最先進的有限元空間分析法，能夠對各種復雜形體建筑進行精確三維分析，分析結果準確可靠。因此，根據(jù)中國標準進行的結構設計，其安全度在世界許多國家和地區(qū)均可得到承認。各行各業(yè)均有按中國標準完成的EPC 項目，包括水泥，化工，交通，能源等諸多行業(yè)。GB 系列建筑結構規(guī)范的英文版已經(jīng)發(fā)行，PKPM‐E 也已經(jīng)面世，這使得國際工程項目設計可以更好的與國際接軌，中國工程師與各國工程師之間的交流與溝通變得更加容易。
然而，在具體的工程設計中，依然暴露了一些分歧。比如不同規(guī)范中關于荷載組合系數(shù)的差異，材料技術性能和試驗要求的差異，鋼筋搭接長度和構造的差異等。國外項目中關于設計基本風速取值的爭論引起了廣泛的關注。在國外項目合同中，業(yè)主或咨詢機構均提出了最大設計風速，例如Maximum wind speed 160km/h。這個風速換算為風速壓力約等于1.24KN/M2。從GB50009‐2001“建筑風荷載設計規(guī)范”D.4“全國各城市的雪壓和風壓值”表分析，按照50 年一遇最大風速看，國內能達到這個風壓的地區(qū)非常少。浙江省嵊泗1.30KN/m2，嵊山1.5KN/m2，象山縣石浦1.20KN/m2，福建省平潭1.30KN/m2，東山
1.25KN/m2，新疆博樂市阿拉山口1.35KN/m2，海南省西沙島1.80KN/m2，珊瑚島1.10KN/m2，臺灣宜蘭1.85KN/m2，馬公1.30KN/m2。這些地區(qū)有的是海島，有的是山口，經(jīng)常有暴風出現(xiàn)。內陸絕大部分地區(qū)風壓在0.5KN/m2 以下。一些欠發(fā)達國家和地區(qū)，氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)的采集年限一般不長，有些國家由于歷史或技術原因，沒有氣象觀測數(shù)據(jù)。這些國家的工程項目，
業(yè)主或咨詢機構提供的場地氣象數(shù)據(jù)可能來自于別國的觀測數(shù)據(jù)，或借鑒別國的數(shù)據(jù)，其準確性不可靠。例如中東各國，咨詢機構要求EPC 項目以160Km/h 最大風速作為基本設計風速。如果用這個最大風速按照中國規(guī)范進行結構設計，或直接輸入PKPM 進行結構分析，發(fā)現(xiàn)風荷載效應特別大，導致結構構件截面偏大，配筋偏高，輕型結構屋面檁條很密，鋼結構重量很大。
為了使建筑結構風荷載設計更加經(jīng)濟合理，對國際標準與中國標準關于風荷載設計參數(shù)取值進行詳細研究顯得異常迫切。本文對美國規(guī)范ASCE7‐2005 MINIMUM DESIGN LOADS FORBUILDINGS AND OTHER STRUCTURES 關于風荷載條款進行分析，找出GB50009‐2001 與ASCE7‐2005 的異同，為國際EP 項目及EPC 項目提供設計參考。
ASCE7‐2005 荷載組合公式：
1. 1.4(D+F)
2. 1.2(D+F+T)+1.6(L+H)+0.5(Lr or S or R)
3. 1.2D+1.6(Lr or S or R)+(L or 0.8W)
4. 1.2D+1.6W+L+0.5(Lr or S or R)
5. 1.2D+1.0E+L+0.2S
6. 0.9D+1.6W+1.6H
7. 0.9D+1.0E+1.6H
D—恒載
L—活載
Lr—屋面活載
F—穩(wěn)定的流體荷載，產(chǎn)生壓力的流體高度固定
H—土體，地下水，或散料側壓力
E—地震荷載
S—雪荷載
R—降雨荷載
T—自身應力產(chǎn)生的荷載
可以看出，ASCE 對于風荷載的荷載分項系數(shù)為1.6, 組合值系數(shù)為0.8，比GB50009‐2001 對應的分項系數(shù)1.4, 組合值系數(shù)0.6 高。
ASCE7‐2005 規(guī)定，風荷載設計可按照三種方式進行，第一種為簡化計算，第二種為分析模式，第三種為風洞試驗。每種分析方式又區(qū)分主要受力結構(Main Wind Force Resisting Structure)和圍護結構(Components & Cladding)。
ASCE 規(guī)定，滿足以下條件的建筑物可按照簡化方式計算風荷載，各風荷載系數(shù)和不同風速下不同部位的壓力均可查表直接得出。
對于主要受力構件簡化計算，應滿足以下條件：
1、 建筑簡單分隔，即風荷載直接通過樓面或屋面?zhèn)鬟f給主要受力構件；
2、 低矮建筑，即建筑高度不超過18m，且平均屋面高度不超過建筑寬度和高度的最小值；
3、 建筑為封閉式， 并滿足颶風碎片相關規(guī)定（颶風碎片區(qū)域建筑，門窗玻璃必須作相應防護，否則按照開孔處理）；
4、 建筑或結構體形規(guī)則；
5、 建筑為非彈性建筑。建筑基本自振周期大于或等于1s 為彈性建筑，否則為剛性建筑。
6、 建筑沒有產(chǎn)生以下效應的特征：穿堂風，渦流脫落，馳振或擺動產(chǎn)生失穩(wěn)。建筑也不位于可能產(chǎn)生隧道效應或振動進而需要特別分析的場地內。
7、 建筑在兩個方向的截面近似對稱，人字形屋面或凹形屋面坡度小于或等于45 度；
8、 建筑不會受到扭轉風荷載作用，或扭轉風荷載在結構計算中不起控制作用。
ASCE 規(guī)定，對于圍護結構簡化計算，應滿足以下條件：
1、 平均屋面高度小于或等于18m；
2、 建筑為封閉式， 并滿足颶風碎片相關規(guī)定；
3、 建筑或結構體形規(guī)則；
4、 建筑沒有產(chǎn)生以下效應的特征：穿堂風，渦流脫落，馳振或擺動產(chǎn)生失穩(wěn)。建筑也不能位于可能產(chǎn)生隧道效應或振動進而需要特別分析的場地內。
5、 建筑為平屋面，或坡度不大于45 度的人這字形屋面，或坡度不大于27 度的凹形屋面。
ASCE7‐2005 風荷載計算第二種方法為分析法，滿足以下條件的建筑，均可用分析法確定風荷載：
1、 建筑或結構體形規(guī)則；
2、 建筑沒有產(chǎn)生以下效應的特征：穿堂風，渦流脫落，馳振或擺動產(chǎn)生失穩(wěn)。建筑也不能位于可能產(chǎn)生隧道效應或振動進而需要特別分析的場地內。
不能滿足方法一和方法二規(guī)定條件的建筑，或者位于特殊場地下的建筑，其風荷載應由風洞試驗確定。能用簡化方法計風荷載的建筑，也可以用分析法設計風荷載。
ASCE 規(guī)定的基本風速(Basic wind speed)，為C 類場地10m 高度處3 秒鐘陣風風速。這與我國的標準10 分鐘平均風速有較大差異，也是影響設計結果的關鍵。在世界上，除中國采用10min 平均最大風速作為設計基本風速外，既有采用3s 陣風風速作為基本設計風速的，也有采用10 分鐘平均風速的國家，還有采用1 小時平均風速的國家。
表1‐1 主要國家規(guī)范中基本風速取樣時距表
ASCE 場地類別，即地表粗糙度類別劃分：
B 類：城區(qū)，郊區(qū)，有樹木的地區(qū)，或有密集單個家庭或兩個家庭居住房屋分布的地區(qū)；
C 類：稀疏分布高度小于9.1m 的低矮障礙物的空曠地區(qū)；
D 類：平坦，沒有障礙物的地區(qū)，以及颶風區(qū)以外的海面，也包括泥地，鹽地或未破壞的冰面。
可見，ASCE 場地類別劃分與GB50009‐2001 基本一致，只是類別編碼相反，ASCE 的D類場地相當于GB50009 的A 類，ASCE 的C 類場地相當于GB20009 的B 類，ASCE 的B 類場地相當于GB50009 的C 類，而GB50009 的D 類場地，即高層建筑密集且建筑高度較大的中心城區(qū)，在ASCE 中應歸類為需要特殊研究的A 類場地，即高樓密集的中心城區(qū)。
ASCE 風荷載設計有兩個基本概念，風速度壓力和結構設計風壓。
風速壓力(Velocity pressure)
qz=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I (N/m2) (6‐15)
Kz—風速壓力暴露系數(shù)，對應于GB50009 的風壓高度變化系數(shù)μz，但Kz<μz。通過下表1‐2, 1‐3, 1‐4, 1‐5，可以發(fā)現(xiàn)Kz 與μz 關系。
表1-2 ASCE Velocity Pressure Exposure Coefficient Kz and Kh
場地類別按照ASCE7‐2005 第6.5.6.2 條劃分。
Case 1 為建筑受單向風均勻作用，無扭轉效應；
Case 2 為建筑受0.75 單項風作用，考慮0.15B 偏心作用產(chǎn)生的扭轉效應；
對于規(guī)則形體建筑結構，一般僅考慮Case 1 情況。
表1-3 GB50009-2001 表7.2.1 風壓高度變化系數(shù) μz
場地類別按照GB50009‐2001 7.2.1 條劃分。
表1‐4 Kz/μz ASCE 與GB50009 風壓高度變化系數(shù)的比值
場地類別按照GB50009‐2001 7.2.1 條劃分。
表1‐5 Kz/μz ASCE 與GB50009 風壓高度不變化系數(shù)比值的平均值
場地類別按照GB50009‐2001 7.2.1 條劃分。
可見，ASCE 的風速高度變化系數(shù)比GB50009‐2001 的風壓高度變化系數(shù)小，高度越高，Kz/μz 比值越小。
Kd—風向調整系數(shù)，GB50009‐2001 中無此項。該系數(shù)是對風速的折減，該系數(shù)對于矩形煙囪，儲存罐取0.90，其它形狀煙囪，儲存罐取0.95，十字形絎架截面取0.95，對于其它建筑物取0.85。該系數(shù)僅當風荷載與其它荷載進行組合設計時采用，如果只有風荷載作用，Kd=1.0。
V—基本設計風速，即3s 陣風風速
I—建筑重要性系數(shù)。ASCE 按照建筑功能和破壞后果嚴重性，將建筑分為四個等級，I級為次要建筑，I=0.87，II 級為一般建筑，I=1.0，III 級為重要建筑，I=1.15，IV 級為特別重要建筑，I=1.15。這個系數(shù)在GB50009‐2001 中已經(jīng)考慮，對于一般工業(yè)與民用建筑，重要性系數(shù)取1.0，與ASCE 一致。
主體結構風壓
P=q.G.Cp‐qi.G.Cpi (6‐17)
對于建筑整體計算，不考慮內部壓力，則
P= q.G.Cp
維護結構風壓
P=qh(G.Cp‐GCpi) (6‐22)
計算維護結構時，G.Cp 作為一個系數(shù)，根據(jù)不同部位查表獲得。此時可認為陣風系數(shù)G=1.0。
q—建筑外部風壓，迎風面取高度z 處的風速壓力，背風面取平均屋面高度h 處的風速壓力；
qi—建筑內部風壓，一般取屋面高度h 處的壓力；
Cp—外部壓力系數(shù)，對于墻體，迎風面取0.8, 背風面按照建筑長度與寬度比值L/B 取不同數(shù)值。
當風作用于建筑尺寸B 面時，
L/B＝0‐1, Cp=‐0.5
L/B=2, Cp=‐0.3
L/B>=4, Cp=‐0.2
側面墻體風壓系數(shù)Cp=‐0.7
可以看出，Cp 相當于GB50009‐2001 7.1.1‐1 中的體形系數(shù)μs，取值也與GB 一致，只是增加了不同建筑長寬比時的背風面負壓力系數(shù)。ASCE 考慮建筑平行于風方向尺寸與迎風尺寸比例越大，背風面所受吸力越小。
G—陣風系數(shù)。這個系數(shù)是與GB50009‐2001 差異的關鍵。ASCE 公式6‐4—6‐14 給出了剛性建筑和柔性建筑的陣風系數(shù)計算方法。為了獲得ASCE 陣風系數(shù)的取值范圍，有必要通過一些建筑模型來計算和分析G 值。假設這些建筑都是規(guī)則矩形截面，全封閉，平屋頂，場地類別ASCE‐C。
表1‐6 不同建筑模型陣風系數(shù)G
ASCE 對于陣風系數(shù)的定義與GB50009‐2001 相反，對于維護結構G=1.0，主體結構G<1，原因是ASCE 以最大陣風風速作為基本設計風速。而GB50009‐2001 以10min 平均風速作為基本設計風速，對維護結構進行陣風修正，效果與ASCE 是相同的。這也反映出，不可以直接將3s 最大風速作為中國規(guī)范的設計基本風速進行結構計算，而應該予以折減。具體折減系數(shù)取多少合理，可以通過ASCE7‐2005 和GB50009‐2001 風壓計算公式比較分析。
ASCE 中，P= q.G.Cp，q=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I，則P=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I.G.Cp (N/m2)
GB5009‐2001 中，Wk=η.βz.μs.μz.w0
GB50009‐2001 7.4 規(guī)定，建筑自振周期大于0.25S，或建筑高度大于30m，高寬比B/H>1.5m 的高柔建筑，應考慮順風振動效應βz（βz>1）。而ASCE7‐2005 規(guī)定建筑自振周期T>1S 時才算柔性結構，這兩者差別較大。
GB50009‐2001 對于βz 的計算比較復雜，為了簡化分析，本文假設βz=1.0，這樣對于本文分析結果是偏于安全的。
根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)ASCE7‐2005 用于結構設計的風壓P 與GB50009‐2001 的WK 之間有三處差別：
1、 ASCE 考慮風速方向系數(shù)Kd =0.85，GB50009‐2001 無此項；
2、 ASCE 風壓高度變化系數(shù)KZ 比GB50009‐2001 的μz 小，見表1‐5 比值；
3、 ASCE 計算主體結構考慮陣風系數(shù)G<1，而GB50009‐2001 計算主體結構時陣風系數(shù)為1.0。
設P=Wk，假定βz=1.0，μs＝Cp，η=Kzt，I=1.0，G 值取表1‐6 數(shù)據(jù)，風壓高度變化系數(shù)Kz/μz 取表1‐5 比值，可以推算出V10min 與V3s 的相應比值。
表1‐7 V10min / V3s 比值
場地類別按照GB50009‐2001 7.2.1 條劃分。
例如，如果已知場地陣風風速為160Km/h，建筑高度為40m，場地類別B，根據(jù)表1‐7可以計算出按照GB50009‐2001 進行風荷載設計所需要的基本風速為0.79x160Km/h=126.4Km/h，設計基本風壓W0=0.77KN/m2。
應當注意，
1、 表1‐7 并非根據(jù)氣象資料分析得出，與實際情況可能有較大差別。表1‐7 只是為缺乏10min 平均風速氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)條件下按照中國標準GB50009‐2001 進行結構風荷載設計提供依據(jù)，使計算結構盡量接近ASCE 要求。
2、 表1‐7 給出的10min 風速與3s 風速比值考慮了風向系數(shù)Kd=0.85，而ASCE 規(guī)定，如果結構只承受風荷載，如圍護墻墻板和檁條，女兒墻，屋檐，輕質屋面檁條等，Kd=1.0。因此，表1‐7 僅使用于主體結構計算。對于維護結構，建議直接采用3s 風速作為基本設計風速按照GB50009‐2001 設計，取陣風系數(shù)等于1.0，按照不同部位的體形系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)進行設計，風壓高度變化系數(shù)可以按照表1‐5 進行折減。
另據(jù)廣東省深圳，汕頭，汕尾，惠來，電白，南雄，韶關，湛江，徐聞等九個國家標準氣象臺1995‐1999 風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析顯示，日極大風速與10min 平均風速之間有相關性，可以建立回歸評估方程。這九個地區(qū)的50 年一遇基本風壓在0.70KPa‐0.85Kpa 之間，即V10min在33m/s‐37m/s 之間。在已知日極大風速條件下，可以根據(jù)回歸方程推算10min 平均風速，也可以在已知10min 平均風速條件下，根據(jù)回歸方程推算日極大風速，以此判斷觀測數(shù)據(jù)的正確性。設10min 平均最大風速為Y，極大風速為X，則
Y=0.86+0.502X±1.5
按照不利情況計算，即取Y=0.86+0.502X+1.5，計算不同極大風速下的10min 平均風速。
表1-8 10min 平均風速與極大風速比值
從回歸方程得出的10min 平均風速與極大風速比值均比表1‐7 比值小，風速越高，10min平均風速與極大風速比值越小，因此，采用表1‐7 比值將3s 陣風風速換算為10min 基本風速用于建筑結構計算是偏于保守的。
結論與建議
進行國外項目設計時，應搞清楚業(yè)主或咨詢機構提供的現(xiàn)場最大設計風速的具體含義，其可能是3s 極大風速，10min 平均基本風速，或是1h 平均風速。還要注意獲取的風速重現(xiàn)周期。一般項目設計應使用50 重現(xiàn)期，如果獲取的場地風速不是50 年重現(xiàn)期，應根據(jù)GB50009‐2001 D.3.4 換算為50 年重現(xiàn)期的基本風速。
無論是ASCE 還是GB50009‐2001，基本設計風壓均應考慮地形修正系數(shù)。當擬建項目場地位于山脊，山口，陡坡邊緣等場地，或颶風碎片影響區(qū)域，應考慮風速修正或采取防護颶風碎片措施，可能增加項目成本。項目合同簽訂前除搜集足夠的氣象信息外，應當對場地地形進行實地考察，正確判別場地類別。
如果業(yè)主或咨詢機構提供的場地基本風速為3s 極大風速，而又無法獲得10min 平均風速氣象資料，無需進行風洞試驗的形體規(guī)則的建筑結構風荷載設計，可以參考表1‐7 將場地3s 風速換算成對應于中國規(guī)范的10min 平均風速，并按照中國建筑結構荷載規(guī)范GB50009‐2001 進行主體結構分析，這樣的計算結果與ASCE 的Method 2—Analytical procedure比較接近。
維護結構計算比較簡單，建議采用3s 風速按照ASCE 要求進行受力分析和結構設計。也可采用3s 風速按照GB50009‐2001 設計，此時應取陣風系數(shù)等于1.0，風壓高度變化系數(shù)根據(jù)表1‐5 折減。
參考資料/References
1. ASCE7‐2005 MINIMUM DESIGN LOAD FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES,American Society of Civil Engineers(ASCE)
2. GB50009‐2001 LOAD CODE FOR THE DESIGN OF BUILDING STRUCTURES, China national code
3. Relationship between maximum 10‐minutes average wind speed and instantaneous wind speed and estimating equation—Chen jinguan, and Li shaobin, Guangdong Metrological bureau, China
4. Definition of Wind Profiles in ASCE, Yin zhou,and Ahsan Kareem, M.ASCE, USA
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