中外规范基本风速对比分析.pdf

刘天英 ， 等 ：中外规 范基本风速对 比分析 中外规 范基本风速对 比分析* 刘 天英 齐秋 平 ( 东北 电力设计 院，长春1 3 0 0 2 1 ) 摘 要 ： 为 了解开涉外项 目中部分工程技术人 员的困惑 ， 针对 目前 中外规 范中基本风 速定 义不同的情况 ， 通过对 美 国、 英国 一欧盟 、 德 国、 俄 罗斯 、 日本 、 印度和 中国规 范基 本风 速定 义 中的标 准 高度 、 时距 、 重现 期、 地面粗糙度 类别 等要素进行逐一 对比分析 ， 得 出各 国规 范中基本风 速定 义的异 同。基 于上述 规 范基 本风速 的对 比分析 结论 ， 进一 步探讨 了不同规 范间基 本风速的转换选取方法 ， 以确保 涉外项 目的风荷载取值合理 。 关键词 ： 基本风速 ； 标 准高度 ；时距 ；重现期 ； 地 面粗糙度 类别 com pari s on and analysi s of bas i c w i nd s peed i n chi na and fore1 gn c0des l i u ti a n y i n g qi qi u p i n g ( no r t h ea s t el e c t r i c p owe r de s i g n i n s t i t u t e ，ch a n g c h un 1 3 0 0 2 1，ch i n a ) abs tract：the d e f i ni t i o n o f ba s i c wi nd s pe e d i n chi n e s e a nd f or e i gn c o de s i s di f f e r e n t a t pr e s e nt ，t o c l ar i f y t he d o u b t s o f s o me e n g i n e e r i n s o me f o r e i g n p r o j e c t s ，a f t e r a n a l y z i n g t h e e l e me n t s o f b a s i c wi n d s p e e d s u c h a s s t a n d a r d h ei gh t ，t i me i nt e r v a l ，me a n r e c u r r en c e i nt e r va l ，c at e go r y of g r o un d s u r f a c e r o ugh ne s s e t c i n t he c od e s o f ame r i c a， b r i t a i n eu r o p e ，ge r ma n y，ru s s i a ，j a p a n，i n d i a a n d ch i n a c o mp a r a t i v e l y ，t h e s a me a n d d i f t e r e n t p o i n t s o f b a s i c wi n d s p e e d we r e o b t a i n e d to e n s u r e t h e v a l u e o f wi n d l o a d i n f o r e i g n p r o j e c t s wa s r e a s o n a b l e ，b a s e d o n c o mp a r i s o n a n d a n a l y s i s r e s u l t s o f b a s i c wi n d 1 o a d i n c o d e s m e n t i o n e d a b o v e ，f u r t h e r d i s c u s s i o n wa s ma d e t o t h e c o n v e r s i o n a n d s e l e c t i on me t ho d o f ba s i c wi nd s pe e d i n d i f f e r e nt c ode s ke y w ords： b a s i c wi n d s p e e d ； s t a n d a r d h e i g h t ； t i me i n t e r v a l ； me a n r e c u r r e n c e i n t e r v a l ； c a t e g o r y o f g r o u n d s u r f a c e r o ug hne s s 0前 言 随着我国“ 走出去” 战略的实行， 越来越 多的工 程公司到世界各地去承揽项 目， 但各 国规范之间的 差异始终 困扰着广大工程技术人员。风荷载是作用 在建( 构) 筑物上最基本 的荷载之一， 风荷载的选取 与结构的安全性和经济性关系非常大 。如果项 目设 计采用的是中国规范 ， 标 书中基于其他规范给出的 风荷载需转换成基 于中国规范的风荷载 ， 才 能用 于 中国的设计规范体系 ， 反之亦然。 gb 5 0 0 0 9 2 0 0 1 建筑 结 构 荷 载规 范 1 ( 以下 简称 gb 5 0 0 0 9 ) 根据 经典 的贝 努利 公式 ： wo一 2 1 6 0 0 ( 1 ) 其 中， w。 为基本风压 ， k nm ； j0 为空气密度 ， k g m。 ； 为 基本 风速 ， m s 。 公式( 1 ) 的推导过程如下： v v 0 一 e 一 ( 2 g ) ， 其 中， 7为 空气 容 重， k n m。 ； g为 重 力 加 速 度 ， m s 。 在 标 准 大 气 压 下 ， 取 7 0 0 1 2 0 8 k n m。 ， g 一9 8 1 m s 。 ， 贝 4 r ( 2 g ) ；0 0 1 2 0 1 8 ( 2 9 8 1 ) 1 1 6 3 0 ， 为 方 便 起 见 ， 一 般 情 况下 取 y ( 2 g)一 1 1 6 0 0 。 德国风荷载规范 d i n 1 0 5 5 4 l 2 第 7章 中风压 与风 速 的关 系 与 中 国基 本 相 同 ， 风 压 q= = = p v 2 一 。 1 6 0 0 ， 其中 |0 1 2 5 k g m。 ， 为基本风速， m s ， 该公式是在气压为 1 0 1 3 1 0 p a和 1 0 的条件下 给 出的 。 美 国建筑结构最小设计荷载规范 as c e 7 - 1 0 3 中， 速度压力计算公式如下 ： q 一 0 6 1 3 k k： t kd 。 ( 2 ) 式 中 ： q 为速 度 压 力 n m。 ； -为 基 本 风 速 ， m s ； k 为风 向系数 ； k 为速度压暴露 系数 ； k 为地形系 数 。由公式 ( 2 ) 可以看 出， 若不考虑系数 ， 基本风压 部 分是 与 中 国、 德 国基 本相 同的 。 其他国家的规范对于基本风压的公式也基本如 此 ， 只是 因为地理位置及条件不同而略有差异， 从工 程上来讲没有影响 ， 这里不再一一列举 由此可见 ， 各 国关于基本风压的公式均在贝努利公式的基础上 *东北 电力设计院院控科研项 目(： k2 0 1 2 - 0 0 9 ) 。 第一作者 ： 刘天英 ， 男 ， 1 9 7 5年出生 ， 高级工程师。 e ma i l ： l i u t i a n y i n g n e p d i n e t 收稿 日期 ： 2 0 1 20 83 1 s t e e 1 co n s t r u c t i o n 2 0 1 2( 1 2 ) ，vo 1 2 7 ，no 1 6 6 57 标 准 与 规 范 得 出 ， 并 无差 异 ， 根 本 的差 异在 于基本 风速 的定义 。 由 gb 5 0 0 0 9 2 0 0 1中基 本 风 压 的定 义 可 知 ： 基 本风速 为 当地空 旷 平坦 地 面 ( 规 范 中地 面粗 糙 度 b类 ) 上 1 0 n 2 高度 处 5 0 年 一遇 l o rai n内 的平均 最 大 风速 。可见 ， 基本 风速 主要 涉及到 以下几 个要 素 ： 标准高度 、 时距 、 回归期及地面粗糙度类别 。下面从 这 几个方 面对 基本 风速进 行对 比分析 。 1 标 准高 度 在 同一 个 地 点 ， 风 速 随 高 度 而 变 化 ， 越 靠 近 地 面 ， 风 速越 小 ； 离地 越 高 ， 风速 越大 。因此 ， 标 准高 度 的取值对基本风速有很大的影响。各 国规范 中基 本风速标准高度的取值见表 1 。 表 1 各国基本风 速标 准高度取值 从表 1中可以看出， 所列出的各 国规范 中基本 风速 的标准高度均为 1 0 m。假设标 书所给规范 中 标 准 高度不是 1 0 m 而 是 n ， 测得 该处 的风速 为 ， 则 l o m 高 处 的 基 本 风 速 一 ( a l o ) ， 式 中 ， ( a 1 0 )。 为标准高度换算系数 ， 平坦开阔处( 相应于 中国规 范场地 粗糙 度类 别 b类 ) 地 面粗 糙 指 数 a取 0 1 6 2 时 距 时距是确定基本风速的时间间隔， 基本风速是 规定时距内的平均风速 ， 其数值与时距 的取值有很 大关系， 不同的时距取值可以得到不同的基本风速。 一 般 说来 ， 时距 越长 ， 基本 风速越 小 ， 目前 ， 时距常取 3 s 或 1 0 mi n 。表 2列 出了各 国规范 基 本 风速 的时 距取 值 。 表 2各 国基本风速时距取值 注 ： 1 ) 时距单位为秒。 从表 2可见 ， 各 国基本风速的时距基本上取为 3 s 或 1 0 rai n ， 时距不 同， 所求得 的基本 风速不同。 目前不同时距间的基本风速换算主要依据美 国标准 as c e 7 - 1 0 。 规 范 ( 图 1 ) ， 利 用 t s的平均 最 大 风 速 与 1 h平均 风速 之 比曲线对 不 同时距 的风 速 进行 换 算 。 l 1 0 l l j j l h j儿ji j l t s 图 1 t s的平均最大风速与 1 h平均风速之比 3 3 例 ： 已知 3 s 基本 风速 ， 求 1 0 mi n基本 风速 口 6 0 o 。从 图 1可 以 看 出 v 3 7) 3 6 。 。 一 1 5 2 ， 7 ) 6 o o v mo 一 1 0 7 ； 则 7 2 6 o 0 1 0 7 v 3 1 5 2 ：0 7 0 v 3 。 ub c 9 7中基 本 风 速 的 取 值 为 最 大 英 里 风 速 ， 最 大英里 风速是 基 于 1英里 长 的空气样 本通 过一个 固定点时间的最高持续不变 的平均风速 。如果在 国际项 目标 书 中 给 出 的 是 基 于 ub c 9 7的基 本 风 速 ， 可 以先 换算 为时距 3 s的基 本 风速 。 i b c 2 0 0 9第 1 6 0 9 3 1款中给出了最大英里风 速与 3 s 基本风速之间的换算关系： 7) fro一 ( 3 1 0 5 ) 1 0 5 ( 3 ) 式 中： 为最 大英 里风 速 ， mp h ； 72 。 为 3 s 基 本风 速 ， mp h ， l mp h ：0 4 4 m s ” 。通 过上述 公式 求 出3 s 基 本风速后 ， 再根据图 1进行其他 时距基本风速 的换 算 。 5 8 钢 结构 2 o 1 2年 第 1 2 期 第 2 7卷总第 1 6 6期 7 6 5 4 3 2 l 0 董 家华 ， 等 ： 多层大型框架柱上牛腿 安装制 作方法 3 重现期 在长期的气象观察 中发现， 超过基本风速的情 况并不经常出现 ， 而是间隔一定的时期后再 出现 ， 这 个 间隔时期称为重现期 。重现期不 同， 基本风速不 同， 因而重现期在概率意义上体现了结构的安全度 。 重现期为 t年的基本风速 ， 在任一年 中只超越该风 速一次的概率 ( 年超越概率) 为1 t。 如果重现期 t 为 5 o年 ， 则 年超 越概 率 为1 5 0 = = = 0 0 2 。表 3列 出 了 各 国规范中基本风速的重现期或年超越概率。 表 3各 国基本风速重现期 ( 或年超越概率 ) 美国新版规范 as c e 7 - 1 0及 i b c 2 0 1 2则将建 ( 构) 筑依据遭受风灾时的损失大小划分为 4个风灾 害类别 ， 根据每个建( 构) 筑物的风灾害类别 ， 采用不 同的基本风速重现期 。风灾害为 i类的次要建( 构) 筑物基本风速重现期 为 3 0 0年， 一般 的 类建( 构) 筑物 为 7 0 0年， 而重 要 的 、 类 建 ( 构) 筑 物 为 1 7 0 0 年 3 。 对于不 同重现期间基本风速的换算， 日本 、 欧洲 钢结构 协会 规定 了风速 重现 期 换算 系 数进 行计 算 。 日本建 议 以重 现 期 为 l o o年 的风 速 为基 准 ， 换 算系数 表达式为 ： 一 - o s s - o - n ) ( 4) 式 中： t为重现期 ， a 。 欧洲钢结构协会规定的换算系数是以重现期为 5 o 年的风速为基准 ， 其表达式为： 一 一 1 - 0 1 3 1 n ( 一 ) ) ( 5 ) 式 中： t为重现期 ， a 。 不同重现期间的换算系数见表 4 。 表 4 重现期换算系数 k 另外需要说明的是， 结构设计使用年限 内风速 超标 的概率计算公式为： r一 1 一e 1 一 ( 1 t ) ( 6 ) 式中： 丁为基本风速 的重现期 ， a ； l为结构设计使用 年 限 ， a 。 若公式 ( 6 ) 中 t和 l 取 为 5 o年 ， 则 r的值 为 6 3 6 ， 也就是说在 5 0年的结构设计年限中， 重现 期为 5 o年 的风 速 至 少 有 一 次 超 标 的 概率 约为 6 3 6 。美国规范 as c e 7 - 1 0中风灾 害类别为 类、 建 ( 构) 筑物 5 0年结构设计使用年限中， 重 现期 为 7 0 0年的风速 至少有一 次超标 的概率仅为 7 。 可见美国基本风速取值要 比中国规范大得多 ， 但也 不可简单认为美国规 范的可靠度 比中国高 ， 因为在 荷载组合 中， 美 国规范的风载分项系数取为 1 0 _ 1 引， 而中国规范取 1 4 。 相 反 ， 风 吹过 光滑 的地 面 ， 则 风速减 小慢 。由于地表 的不 同影响着风速 的取值 ， 因此有必要为基本风速 规定一个共同的标准。目前用于测量风速的风速仪 大都安装在气象台， 一般离城市中心有一段距离， 且 周围为空旷平坦地区。表 5给出各国规范基本风速 的地 面粗 糙度 类别 。 表 5 各国基本风速地面粗糙度类别 从表 5中可 以看出， 各国规范 的基本风速均是 4 地面粗糙度类别 在平坦开阔处测得。 风吹过粗糙的地 面， 能量损失多 ， 风速减小快 ； ( 下转第 2 4页) s t e e l co n s t r u c t i o n 2 0 1 2( 1 2 ) ，vo 1 2 7 ，no 1 6 6 5 9 0 9 0 n 1 1 1 2 9 毖 7 l 9 6 3 l 9 0 2 l 0 o 。 1 l l 2 0 吣 o 1 2 6 罟 8 o o 4 o 趴 o o 2 4 的 o o 1 8 “ 0 o 7 3 o o 建 钢 t 本洲 日 欧 科研 开发 3 结 论 1 ) 模 型 的建立 充分 考虑 了外包 钢混 凝土 柱 的作 用机制 ， 选取 了合理 的材 料力 学模 型 ， 为研 究外 包钢 混凝土柱的力学性能提供了有限元分析方面的参考。 2 ) 从试 件 的破 坏 形 态 可 以得 出 ： 偏 心 荷 载作 用 下 ， 构 件受 压一侧 的应 力较 大 ， 角钢 、 混 凝 土 和钢 筋 均达 到了材 料 的屈 服应 力 ， 而 远 离受 压 一 侧部 分 屈 服较 晚或者 构件并 未完全 屈服 。 3 ) 试件在不同偏心距情况下荷载 一 跨 中挠度曲 线 的形状基本相似 ， 但曲线走势的舒缓程度不同， 曲 线一般都 由线性增 长、 非线性增长和水平发展 3个 阶段组成 。弹性变化范围内， 荷载 一跨 中挠度 曲线 呈直线增长 ， 当构件达到了极限承载力， 进入弹塑性 阶段时， 由直线变为曲线 ， 而后 曲线开始下降。当偏 心率较 大时 ， 则在 试件接 近极 限承载 力时 ， 外 荷 载增 量很小 ， 而构件的变形却增长较快， 其曲线平缓 ， 反 映出偏心率越大 ， 试件跨 中挠度的变形能力越大， 但 试 件 的刚度 逐渐减 小 ； 试 件 的偏 心距 越小 ， 其 极 限承 载力越 大 ， 非 线性 的发展 历程 也越长 ， 而水 平发 展 阶 段 相对 较短 ， 反之 亦然 。 4 ) 试 件 的 昆 凝 土与缀 条板 的荷载 一 应 变 曲线 也 能 够反 映 出钢 筋混凝 土柱 在外包 钢 的约束 下延性 明 显 增强 ， 变形 能力加 大 。材料 的压应 变大 于拉应 变 ， 符合实际的受力特点 ， 说 明了有限元模拟的可靠性。 5 ) 通过 对外包 钢柱 与? 昆 凝土 柱滞 回关 系 曲线 的 比较可知 ， 由于外包钢骨架约束作用的存在 ， 使构件 的延性 性 能大大 提 高 ， 比单 纯 的混 凝 土 柱 的延 性性 能 明显增 强 。由此可得 ， 构 件 的含 钢率 越大 ， 延性性 能 也越 大 。 参考文献 1 清 华大 学 ， 东南 大学 ， 天津 大学 ， 等 混凝 土结 构设 计原 理 m 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 2 刘文锋 混凝土结构设 计原理 m 北京 ： 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 4 ： 1 91 3 韩林海 钢管混凝土结构 理论与实践 m 北京 ： 科学 出 版 社 ， 2 0 0 4 4 黄海燕 ， 张子 明 混凝 土断裂 能的统计分 析 j 水 利水 电技 术 ， 2 0 0 4， 3 5 ( 9 ) ： 9 59 7 5 刘展 a b aqus 6 6基础教程与实例详解e m 北京 ： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 8 ( 上接第 5 9页 ) 5 结 语 各国规范均 自成体系， 切不可断章取义 ， 简单套 用 。基本 风速 如果 选 取 不 当会 造 成 严重 后 果 ， 或 导 致结构的经济性较差 ， 甚至难以接受， 或存在严重的 安全隐患。为了安全经济地做好 国际项 目， 一定要 弄清楚标书中给定风速所基于的规范 ， 必要时需进 一 步澄清其重现期的取值 ， 进行相应的换算 ， 然后才 能用 到相 应 的规范体 系 中 。 参考文献 1 gb 5 0 0 0 9 2 0 0 1 建筑结构荷载规范e s 2 d i n 1 0 5 5 4 2 0 0 5 d e s i g n l o a d s f o r b u i l d i n g s wi n d l o a d s o n s t r u c t u r e s un s u s c e p t i b l e t o vi b r a t i o n e s 信息 3 a s c e 7 1 0 mi n i mu m d e s i g n l o a d s f o r b u i l d i n g s a n d ot h e r s t r u c t u r e s s 4 吴瑾 ， 夏逸鸣 ， 张丽芳 土木工程结构抗 风设计 m 北京 ： 科 学出版社 ， 2 0 0 7 5 un i f o r m b u i l d i n g c o d e s 1 9 9 7 6 i n t e r n a t i o n a l b u i l d in g c o d e s 2 0 1 2 7 b s e n 1 9 9 1 1 _ 4： 2 0 0 5 e