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中、美风荷载规范对比研究【摘要】伴着我国走出国门走向世界战略的提出，我专业学生越来越多的选择出国留学深造，且在国际招标的工程中通常采用美国国家标准计算风荷载。中美规范中对风荷载的计算存在较大的差异，现对关于中美两国荷载规范中风速、基本风压、风荷载等的计算差异与换算关系进行分析比较，且简单对欧洲规范作简单介绍。以一输电铁塔结构为例,利用现行的中美各自的规范,提供了简单的风荷载计算步骤和各种系数的确定方法，并将二者计算结果进行对比，以供日后学习工作参考。【关键词】风荷载；基本风速；重现期；标准高度；平均时距。Abstract: More and more our professional students choose to study abroad for further study with putting forward “Go globe” strategy, and some projects in the international tender need to dopt American standard to calculate. Obviously, there have great differences for calculating wind load between China and America standard. Now analyze and contrast the calculation and conversion of wind speed, basic load and wind load , and make simple introduction on the European standard. For the purpose of future learning, solve the wind load of a transmission tower structure with these two specifications, and compare the results as a reference.Key Words: wind load; basic wind speed; return period; standard height; average time interval.伴着我国走出国门走向世界战略的提出，我专业学生越来越多的选择出国留学深造，且在国际招标的工程中通常采用美国国家标准计算风荷载。世界各地对基本风速、工程地质等方面的划分标准不尽相同，存在一定的差异性，决不能简单地按我国的设计规范取值标准直接套用，这些问题经常给设计者带来许多困扰。风荷载设计方法通常是先参照某地的基本风速，然后将基本风速换算成基本风压，最后据统计学原理对基本风压进行不同的修正。由于自然环境的不同，世界各国在制定风荷载规范时对风荷载的基本计算参数有着不同的理解。现针对关于中美欧三国荷载规范中风速、基本风压、风荷载等的计算差异与换算关系进行分析比较，以供日后学习工作参考。1规范简介及分析1.1 风荷载计算公式中国风荷载标准值计算公式：Wk=ZSZW0 F=Wk*AfWk：风荷载标准值（kN/m2）Z：高度z处的风振系数S：风荷载体型系数Z：风压高度变化系数W0：基本风压（kN/m2）Af: 受风面积（m2）美国风荷载标准值计算公式：F=qzGhCfAf(对于开敞式结构)qz: 速度压力(相当于中国的 ZW0)Gh: 阵风影响系数(相当于中国的Z，但取值有所不同)Cf: 风载体型系数(相当于中国规范的S，但取值略有不同)Af: 受风面积（C）欧洲风荷载标准值计算公式：此规范中，确定风荷载作用的大小有两种方法:一是使用形状系数采用力系数的力系数法;二是通过外表面压(吸)力、内表面压(吸)力和风摩擦力三部分求和的求和法。第一种力系数法计算风作用 FW的公式为: FW=cscd cfqp(ze) Arefcscd:结构系数cf:结构整体或结构性构件的力系数qp(ze):基准高度处的峰值风速压力Aref:基准面积。1.2 基本风压 中国规范中的基本风压公式：W0=1/2V02 , 是空气密度1.256kg/m3，V0为B类地形离地10m高处重现期为50年的10min平均年最大风速，m/s2 美国规范： qz=0.613KzKztKdV2(N/m2；V的单位为m/s) 式中： Kz为风压高度变化系数(相当于中国的Z，但取值略有不同)； Kzt为地形因素系数(对于平地取1.0)；Kd 为风方向性因素系数(美国规范规定一般可取0.850.95，或按公式计算)；V为基本风速(相当于中国的V 0)， 美国规范规定基本风速为C类地貌离地33ft（相当于10m）高度处重现期为50年的3s阵风风速。对比分析中美的基本风速，离地面的高度: 离地高度越高，风速越大，受地面粗糙度的影响就越小。因此，中美两国基本风速均规定统一为离地10m。地面粗糙度：中国规范中，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类，美国规范中，地面粗糙度可分为B、C、D三类。中美规范中地面粗糙度对比粗糙度类别中国规范ABCD美国规范DCBB所以中美两国基本风速在地貌类别即地面粗糙度的规定是一样的。重现期：荷载重现期不同，最大风速的保证率不同，相应的最大风速值也不同。荷载重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比较敏感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现期的基本风压，以调整结构的安全水准。中美两国基本风速对重现期的规定是一样的。用极值I型分布随机过程来拟合持久荷载、风荷载、雪荷载 其分布函数为：Ft(x)=exp-exp-x-ka a=t1.2826 k=t-0.5772a重现期与基本风压的关系，还与变异系数/u有关，现根据我国不同台站的资料，统计得出不同重现期与50年重现期的基本风压换算系数，见下表。平均时距：平均风速时距是指观测和统计风速资料时所规定的时间间隔，一般取该时间间隔的平均最大风速。在同一个气象台，平均时距越小则记录得到的平均最大风速越大，反之亦然。美国规范采用3s,中国规范采用10min。平均风速值与平均时用的时距成反比，当时距长时，平均风速小;时距短时，平均风速大，二者之间的关系可用下式表示:Wt2=BWt1+A其中 B=(t1t2)a这里 Wt2为在t2时间内的平均风速; Wt1为在t1时间内的平均风速；B为斜率，其值取决于待定系数a;A为截距(若A值很小，即相对于Wt2，Wt1可略);B即为换算系数。由上式，两个确定时距平均风速之间的换算系数只取决于a值的大小。不同时距的平均风速换算系数不仅与平均时所用的时距长短有关，而且与样本的下限风速有关。其中：A、B、C、D为地面粗糙度类别横坐标为风速时距，纵坐标为不同时距相对于10min的风速换算系数。不同重现期与50年重现期的基本风压换算系数重现期T0(年)1006050403020105换算系数Z1.101.031.000.970.930.870.770.66B类地区不同风速时距换算风速时距60min10min5min2min1min30s20s10s5s3s瞬时统计比值0.901.001.071.151.181.231.251.331.361.39 1.45综上所述：中美规范的基本风速在地貌类别、标准高度、重现期的规定是基本一致的，仅在平均风速时距上有所差别。欧洲规范：欧洲钢结构协会规范中规定的基本风速是在B类场地、高度10m、重现期50年、观测时间10min的条件下确定的，与中国荷载规范一致。欧洲风荷载规范EN1991-1-4中把地形类别分为五类,分别是0,。按照中欧规范对各地面粗糙度类别的描述, 可以认为中国规范A类场地对应于欧洲规范0和类场地, B、C、D类场地分别对应于、类场地。2风荷载的计算与比较在苏丹220kV输电线路工程中，国外业主提供的原始资料：风速按美国标准(离地高度10m，3s阵风，50年重现期，地面粗糙度为C类)，基本风速为47m/s。中国现行110kV750kV架空输电线路设计规范中规定220kV输电线路的荷载取值标准为离地高度10m，10min平均最大风，30年重现期，地面粗糙度为B类。下面以自立式直线铁塔SZ为例进行计算，塔高40m，风压高度取离地20m处(铁塔结构计算时风荷载是主要荷载)。2.1按中国规范进行风荷载计算根据中美风速的换算关系： V中=V美/1.39 =47/1.39=33.8(m/s)Wk=ZSZW0t=1.351.31.250.62533.820.93=1456.7(N/m2)(按30年重现期计算) 1.3：体型系数，0.8+0.5Z=1.25：2.2按美国荷载进行风荷载计算美国规范速度压力qz计算：qz=0.613KzKztKdV2=0.6131.161.01.0472=1570.8(N/m2)( 此处参照 Guide lines for Electric a lTransmission Line Structural Loading要求，按90度方向风吹，Kd取1.0)美国规范设计风压p计算：P=qzGhCf=1570.81.291.3=2634.2(N/m2)风压高度变化系数1.16的由来：美国计算Gh=1.29的由来：2.3中美风荷载取值的比较对同一铁塔结构，美国规范风荷载值是中国规范风荷载值的1.3倍，如果110kV750kV架空输电线路设计规范中荷载重现期标准提高到50年，则美国规范风荷载值是中国规范风荷载值的1.21倍。按美国规范设计的铁塔结构更加偏于安全。查阅相关文献可知，中国风荷载规范和欧洲风荷载在考虑顺风向风振影响时差异比较大。欧洲风规范用基准高度的动力特性代表整个结构的动力特性,考虑的湍流作用比中国规范的取值大,使欧洲规范中的顺风向风振影响的放大作用比中国规范大。在风作用计算结果中,在建筑结构较低的部位欧洲规范计算的风作用要远大于中国规范的计算结果。随着高度的增加,由于地面粗糙度修正的指数律和对数律的差别,中国规范的风荷载计算结果和欧洲规范的计算结果的差距逐渐减小。3结语由于对基本风速的定义和测量取值方法的不同，从而导致了中国和美国、欧洲规范基本风速值大小的差异，也导致了风荷载取值的差异。在进行国外项目设计时，应该搞清楚业主或咨询机构提供的现场最大设计风速的具体含义，如基本风速为3s阵风风速，则采用中国标准设计软件时，需转换为10min平均最大风速，这样的计算结果才会基本合理。上述的计算比较仅仅是针对输电线路铁塔结构进行的，风荷载的计算受多种因素的影响，如换为其它结构模型，则各项计算系数取值会有所不同，所以最终的计算结果也会有所差异，不同结构型式进行设计计算时需按实际情况进行认真分析，不能一概而论。参考文献1 GB 50009-2001，建筑结构荷载规范（2006年版）M北京：中国建筑工业出版社.2002.2 张相庭工程结构风荷载理论和抗风计算手册M上海：同济大学出版社，19903 刘迪，李立昌2010年版美国建(构)筑物荷载规范有关风荷载部分修改简介J钢结构，2011，(02)4 洪小健，顾明.顺风向等效风荷载及响应主要国家建筑风荷载规范比较J.建筑结构.2004,34（7）：3943.5 黄韬颖.中美澳三国风荷载规范比较D.北京交通大学硕士学位论文，2006.6 黄韬颖,杨庆山.中美澳风荷载规范重要参数的比较J.工程建设与设计, 2007, 50(1): 23-27.7 JGJ 99-98,高层民用建筑钢结构技术规程S.8 Solari G, Kareen Ah. 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