中国与美国规范风荷载计算分析比较_刘刚.pdf

中国与美国规范风荷载计算分析比较 刘 刚 中南电力设计院 武汉 摘 要 美国规范作为世界主流标准之一 被越来越多的涉外工程所要求采用 面对越来越多的涉外工程设计的 需求 了解 熟悉并掌握美国规范及其与中国规范的异同 对于在涉外工程中更好地采用美国规范进行设计很有必 要 对美国 建筑最小荷载规范 中的风荷载和中国 版 建筑结构荷载规 范 的风荷载部分进行计算 分析和比较 在风荷载设计原理上 美国规范与中国规范基本相同 对常规外形建筑 物的设计 计算结果差别不大 关键词 美国规范 风荷载 比较 犔 犻 狌犌 犪 狀 犵 作 者 刘刚 男 年出生 高级工程师 一级注册结构工程师 收稿日期 美国规范是国际通用的主流规范之一 随着近 年来涉外工程的增加 频繁出现在工程设计要求中 很大一部分涉外工程的技术说明 要求采用美国规 范作为其设计标准 即便可以采用中国规范设计 业 主提供的包括风荷载在内的输入条件 也有很多是 基于美国规范的 因此 深入了解并掌握美国规范 及其与中国规范的异同 正确使用其进行工程设计 成为迫切需要 本文从工程实际出发 对美国 建筑最小荷载规范 和 版 建筑结构荷载规范 的风荷载计算进行比较和 分析 限于篇 幅 本文仅对 主 要 抗 风 体 系 风荷载作分 析比较 计算公式 中国规范 版 以下简 称 中国规范 对垂直作用于 表面的风荷 载标准值计算为 式中 风荷载标准值 高度 处的风振系数 风荷载体型系数 风压高度变化系数 基本风压 美国规范 以下简称 美国规 范 对作用于 表面的净设计风压 或设 计风荷载 的计算如下 对刚性建筑 对柔性建筑物 对低矮建筑物 对开敞式建筑和其他结构 式中 不同高度处的风速压力 阵风影响系数 外部风压系数 刘 刚 中国与美国规范风荷载计算分析比较 钢结构 年第 期第 卷总第 期 内部风压系数 计算原理 一般情况下 顺向风在对结构所产生的效应中 起主要作用 若建筑物在横向风作用下 产生跨临界 范围 雷诺数 的共振响应 或者由于 建筑物截面形状产生空气动力失稳情况时 则需考 虑横向风效应 对于任何结构体系 在风作用下都会产生振动 将脉动风作为输入 按随机理论对结构直接进行动 力响应分析 是最准确的方法 但因其过于烦琐 只 是在特殊结构形式或对动态风激励敏感的建筑物中 才采用 工程实际中 通常采用等效静力荷载法来 考虑脉动风对结构的风振影响 各国风荷载标准值 表达方式通常有两种 一种为平均风压乘以风振系 数 另一种为平均风压加上由脉动风引起的结构风 振的等效风压 在结构的风振计算中 往往是第一振型起主要 作用 我国规范与大多数国家相同 采用的是第一 种表达方式 平均风压乘以风振系数 风振系数 是考虑了结构在风荷载作用下动力响应的综合系 数 中的 就是脉动风部分 的等效系数 美国规范风荷载表达方式采用的也是 这种表达方式 其阵风影响系数 和 就是考虑风 动力效应的综合系数 基本参数 基本风速 基本风速是风荷载设计输入的基本参数 但是 各国对基本风速的取值是有各自标准的 各国在制 定规范的时候 涉及到以下 项的定义是不同的 标准离地高度 风速是随着高度变化的 由 于地表摩擦的影响 使得离地高度越大 风速就越 大 直到达到不受地表影响的梯度风高度 风速即稳 定在梯度速度 最大风速重现期 从概率的意义上来说 在 一定时间间隔内 超过该最大平均风速的概率不大 于某特定值 该时间间隔就称为重现期 重现期越 长 结构安全度越高 平均风速的时距 平均最大风速与时距有很 大关系 时距取得越短 则平均风速值越高 标准地貌类别 地表愈粗糙 风能消耗愈厉 害 平均风速愈小 因此必须以一个标准的地貌作 为基本风速的取值标准 最大风速的样本 最大风速有其周期性 每 年季节性重复 因此 采用年最大风速作为一个统计 样本是比较合适的 在这点上各国基本一致 最大风速概率分布曲线类型 由于最大风速 涉及到概率计算 必须根据概率密度函数曲线形式 选取最符合最大风速出现规律的曲线线形 中国规范中基本风速 的规定是 一般空旷平 坦地面 离地高 时距 按 年重现期 确定的年平均最大风速 美国规范中基本风速 的规定是 类粗糙度 场地 离地 高 时距为 的阵风风速 按 年重现期确定的年平均最大 风速 表 为中 美规范基本风速影响因素对比 表 中 美规范基本风速影响因素对比 规范 标准离地 高度 最大风速重现 期 年 平均风速的 时距 标准地貌类别 最大风速的 样本 年 最大风速 概率线型 版 空旷平坦地面 中国规范 类 极值 型 分布 或称 分布 平坦开敞的乡村 美国规范 类 极值 型 分布 或称 分布 从表 可以看出 中 美规范在基本风速的定义 上 仅在时距的取值上存在着不同 在各个国家的风荷载标准中 标准时距取值不 一致 例如 美国 印度 澳大利亚取 中国 前苏 联 日本 国际标准化协会 取 英国 加 拿大取 表 为以中国规范的 为基准 对各种不 同时距风速的换算比值 根据表 换算关系 可以得出中 美规范基本风 速关系如下 表 各种不同时距风速的平均比值 风速时距 瞬时 统计比值 标准与规范 美国基本风速 中国基本风速 涉外工程中 业主提供工程所在国家的基本风 速 在充分了解基本风速定义前提下 若仅时距存在 差别 则可根据表 将基本风速进行简单转换 地面粗糙度类别 风压沿高度的变化 与地面的粗糙度有关 我国 定义与美国规范是相反的 如表 所示 表 中 美规范地面粗糙度分类对比 类别 版 类 近海海面和海岛 海岸 湖岸及沙漠地区已取消 类 田野 乡村 丛林 丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城 市郊区 城市和郊区 树木茂盛区 有较多障碍物或密集建筑物 类 有密集建筑群的城市市区 开放地形 有低矮的稀疏障碍物 不超过 高 乡村 草地 类 有密集建筑群且房屋较高的城市市区平坦无障碍区 光滑地面 水面 近海海面 这里需要说明的是 之前的 版对 类粗糙度有详细定义及描述 与我国 类相似 从 规范开始认为 大量密集建筑的城 市区域 接近高大建筑物 存在复杂的局部风隧效应 和尾流颤振效应等 很多情况超越了分析法 能够解决的范畴 推荐在时间和经 费允许的情况下 采用风洞试验法 风压高度变化系数与风速压力暴露系数 中国规范的风压高度变化系数 和美国规范的 风速压力暴露系数 反映的都是在不同地貌情况 下 不同高度处的基本风压换算关系 由于地表摩擦的结果 使得接近地表的风速随高 度减小而降低 任意地貌 任一高度处的风压值 可 认为是基本风压 乘以风压高度变化系数 风速压力暴露系数 在美国规范公式中也起 着同样的作用 图 图 中反映了这两个系数随高度和地貌 变化的趋势 其中 类情况用于构件和围护结构 以及低矮建筑物的 类情况用于除低 矮建筑物以外所有建筑的 图 中国规范风压高度变化系数 曲线 风经过山峰和山坡等地形时 会产生涡旋从而 导致局部风加速现象 如图 所示 对此 两国规范 图 美国规范风速压力暴露系数 曲线 都进行了修正 山坡 山峰 图 山区地形风示意 中国规范采用修正系数 对 进行调整 如图 所示 对于 类粗糙度 山峰和山坡顶部 修正系数 如下式 式中 山峰或山坡迎风面坡度 时 取 系数 山峰取 山坡取 建筑物计算位置离所在地面的高 度 当 时 取 其他部位的修正系数 可按 点 和 为 刘 刚 中国与美国规范风荷载计算分析比较 钢结构 年第 期第 卷总第 期 山峰 山坡 图 山峰和山坡示意 和 段线性插值确定 对于 类粗糙度 如远海海面 海岛 修正系数 按表 修正 美国规范采用修正系数 对 进行调整 示 意如图 所示 修正系数 这里 其他参数如表 所示 表 远海海面和海岛的修正系数 距海岸距离 山坡 山峰或 对称山坡 图 山峰和山坡加速风示意 表 风掠过山峰和山坡的加速效应参数 类型 迎风面背风面 山峰 或 为负值的山谷 山坡 对称山坡 注 为粗糙度类别 风振系数与阵风影响系数 风力中除了平均风以外 还有脉动风 由于它 是随机荷载 因而将引起结构的随机振动 其理论基 础是随机振动理论 中国规范的风振系数 是考虑结构在风荷载 的作用下 随时间 空间变异性 结构阻尼和周期等 因素 来计算脉动风作用下 结构动力影响的综合系 数 中国规范规定 高度大于 且高宽比大于 的房屋和基本自振周期 大于 的各种 高耸结构以及大跨度屋盖结构 均应考虑风压脉动 对结构发生顺风向风振的影响 对于外形 重量沿高度无变化的等截面结构 由 于频谱比较稀疏 第一振型为主导振型 可仅考虑第 一振型影响 沿高度 处的风振系数为 式中 脉动增大系数 脉动影响系数 振型系数 应由结构动力分析确定 也 可采用规范近似公式或附录 确定 风压高度变化系数 美国规范的阵风影响系数 或 作用和原理 与我国规范的风振系数 相似 对于刚性结构 对于柔性或动力敏感结构 槡 式中 珔 高度处的紊流密度 标准与规范 背景响应系数 根据规范取值系数 共振反应系数 基本风压与风速压力 由于空气密度 实际是个变值 中国规范统一 标准为 一个标准大气压下 干空气密度 重力加速度 根据贝努利 公式 得 中国规范取 即 美国规范中与之对应的参数为风速压力 统 一标准为 海平面标准大气压 下 空气密度 重力加速度 根据贝努利公式 得其常数为 风速压力 计算公式为 式中 风向系数 仅用于荷载组合时 风速压力暴露系数 地形系数 从式 和式 可看出 我国基本风压的常数 与美国规范常数 基本一致 体型系数与风压系数 结构体型的不同 直接影响到作用于建筑物不 同表面的风荷载大小 相同风速的情况下 不同建 筑物外形和相同建筑物不同表面产生的风压有很大 的差别 中国规范风载体型系数 是风在建筑物表面 引起的实际压力与来流风压的比值 美国规范与之 对应的是风压系数 为了得到各种建筑物表面风压实际大小及分布 情况 一般有两种方法 一是在实际建筑物上测定表 面压力分布 二是缩小比例模型进行风洞试验 中国的风载体型系数经过了一个不断完善的过 程 并参考了国外的资料 得出了现在规范中较为详 细的风荷载体型系数表 美国规范现阶段的风压系 数 也是在边界层风洞试验基础上 结合之前的研究 总结而来 事实上 中国规范列出的体型系数 大部 分根据国外规范整理而成 其中就包括美国规范 从体型系数和风压系数比较也可看出 两者大致基 本相同 最大的不同主要体现在以下几个方面 美国规范风压系数与建筑物的外形比例相 关 并随设计时考虑的风向变化 美国规范各受风面 包括屋面和侧墙 细分为 若干风压区 不同分区采用不同的风压系数 这样 更接近于真实情况 对于构件和围护结构尤其如此 美国风荷载规范考虑了建筑物内部风压 引 入了内部风压系数 对有孔洞 门窗和开敞式建筑产 生的内部风压 作了详细的分析和规定 中国规范 仅在验算围护构件及强度时 出于安全考虑 参照国 外规范 规定了 的内表面局部风压体型系数 计算比较 取相同边界条件 选择 个不同外形尺寸的建 筑物 分别采用中 美规范计算其风荷载 限于篇幅 仅对作用于主要抗风体系 的横向受风时 的风荷载进行计算比较 建筑物条件 双坡屋面 全封闭刚性建筑 外形 尺寸见图 气象条件 中国规范基本风速 相当于 美国规范基本风速 地理条件 海拔高度按 地面粗糙度 中国 规范按 类 美国规范大体相当于 类 注 尺寸线以上为算例 数据 尺寸线以下为算例 数据 括号内为公制单位尺寸 图 建筑物范例比较外形示意 其中算例 为美国规范定义的低矮建筑 采用美国规范特别规定的计算方 法 计算结果对比见表 和表 由表 表 计算结果比较可见 美国规范针对低矮建筑采用了专门规定 而 中国规范依旧采用常规计算 可看出 两国规范在算 例 比较中相差比较大 尤其在端区 由于局部风压 分布不均匀导致其较内区大很多 而中国规范对此 没有进行调整 美国规范计算设计风压时未包含风向系数 只在风荷载参与荷载组合时才考虑该折减系 刘 刚 中国与美国规范风荷载计算分析比较 钢结构 年第 期第 卷总第 期 数 表中括号内给出考虑风向系数 折减后的值 可以看出 算例 中 除了屋面差别较大外 墙体风 压最大差别在 以内 表 算例 比较 受风面 中国规范 美国规范净设计风压 迎风面内区墙体 迎风面内区屋面 背风面内区屋面 背风面内区墙体 侧面墙体 迎风面端区墙体 迎风面端区屋面 背风面端区屋面 背风面端区墙体 注 为两个方向的内部风压 为压力 为吸力 表 算例 比较 受风面中国规范 美国规范净设计风压 迎风面墙体 背风面墙体 侧面墙体 迎风屋面 背风屋面 注 括号内为美国规范考虑风向系数 时的值 美国规范迎风屋面考虑了内部风压的双向不 利影响 因此 按最不利组合时 往往较中国规范大 很多 算例 中迎风屋面内区风压差别为 端 区差别达到 算例 中背风屋面风压差别达 美国规范在迎风屋面 考虑了两种不利工况 比较可以看出 迎风屋面的结果差别在 倍左右 另 外 美国规范对屋面角度规定更加细 中国规范 以内背风屋面体型系数均为 美国规范 的 外部风压系数为 导致背风屋面风压相差也较 大 算例 中背风屋面内区风压差别为 端区 差别达 到 算 例 中 背 风 屋 面 风 压 差 别 达 本文范例比较的数量和范围有限 因此有较大 局限性 结果仅供参考 结 语 两国风荷载规范理论上都建立在随机振动理 论的风振分析方法的基础上 在表达方式上 与抗震 规范一致 因而较为合理且准确 美国规范考虑了风载作用下结构质心与形心 偏差的扭转影响 中国规范对此尚未有考虑 美国规范对刚性结构 柔性结构 动力敏感结 构的脉动风载作用下的不同影响 采用不同公式加 以计算 对于低矮建筑也采用了专门的规定 中国规 范没有加以特别区分 某些特殊情况的计算存在一 定出入 规范中 对很多常见的建筑 外形都明确地标明了体型系数 且 火力发电厂主厂房荷载设计技术规程 还补充 了火力发电厂主厂房框排架常见外形体型系数 使 得在设计中应用比较方便 相比之下 美国规范对风 荷载的规定较为繁琐 对于很多复杂外形情况 则必 须根据经验 将几种原则进行组合来确定 这样 给 工程设计人员带来一些不便 美国规范中 对于非封闭建筑物和存在孔洞 的封闭建筑 其内部风压有着详细的计算规定 而中 国规范仅在验算围护构件及强度时 规定了 的内表面局部风压体型系数 美国规范的风荷载定义了不同的风压分区 各 分区的风压系数不同 这一点 更加接近于实际情况 比之中国规范简化为单一的值 显得更加准确 对风载敏感或特别复杂的结构 两种规范都指 出 应该通过风洞试验来确定体型系数或风压系数 对于 类密集高层建筑物的大城市区 考虑到复杂 的局部风隧效应和尾流颤振效应 美国规范取消了该 地面粗糙度规定 建议采用风洞试验确定 下转第 页 标准与规范 为在严重腐蚀环境下钢结构的首选面漆 表 钢梁表面防腐涂装维修方案 方案表面处理要求底层封闭层中间层面层总厚度 方案 较严无机富锌底漆环氧封闭漆 环氧云铁中间漆氟碳面漆 道 道 道 道 方案 正常 环氧富锌底漆环氧云铁中间漆丙烯酸聚氨酯面漆 道 道 道 方案 较严热喷铝或锌环氧封闭漆 环氧云铁中间漆丙烯酸聚氨酯面漆 道 道 道 道 综上所述 最终选择方案 的涂装体系 这套涂 装体系以其良好的防腐耐久性 施工的方便性 维修 的经济性 简便的维护性成为选择的主要原因 主要技术及性能要求 表面处理 钢材表面处理至少应达到 级的除锈等 级 表面粗糙度为 表面粗糙度不宜 太小或太大 太小漆膜附着力低 太大则会消耗过多 的材料 造成涂膜厚薄不均影响涂膜的耐久性 底 漆 底漆是直接与钢梁表面接触的涂层 是整个防腐 涂层体系的重要基础 因此底漆应具有对钢梁表面良 好地附着力 与中间层附着牢固 材料本身应具有对 水 氧 腐蚀介质透过的屏蔽功能 颜 填 料应具有 缓蚀功能和阴极保护功能 只有具备这些基本性能 才能使钢结构免受腐蚀因素的锈蚀 达到阻止钢表面 腐蚀电池形成或防止腐蚀继续发展的目的 中间漆 中间漆必须具有对底漆和面漆良好地粘结附着 力 中间层的作用是较大地增加涂层的厚度以提高 整个涂层的屏蔽性能 同时中间层应具有一定的弹 性 保证涂层在受到温度变化和受力变形时具有一 定的柔韧