王永華

(新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830001)

隨著我院海外事業(yè)的大力開(kāi)展，越來(lái)越多的境外項(xiàng)目要求我們按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)筆者對(duì)多個(gè)國(guó)外工程設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題來(lái)看，世界各地對(duì)基本風(fēng)速、工程地質(zhì)等方面的劃分標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，存在一定的差異性，決不能簡(jiǎn)單地按我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范取值標(biāo)準(zhǔn)直接套用，這些問(wèn)題經(jīng)常給設(shè)計(jì)者帶來(lái)許多困擾。

風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方法通常是先參照某地的基本風(fēng)速，然后將基本風(fēng)速換算成基本風(fēng)壓，最后據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行不同的修正。由于自然環(huán)境的不同，世界各國(guó)在制定風(fēng)荷載規(guī)范時(shí)對(duì)風(fēng)荷載的基本計(jì)算參數(shù)有著不同的理解。因世界上大多數(shù)欠發(fā)達(dá)國(guó)家都以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，所以筆者根據(jù)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從基本風(fēng)速、基本風(fēng)壓定義出發(fā)，進(jìn)行中美風(fēng)荷載計(jì)算的比較，并提出相互換算的方法和工程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，供設(shè)計(jì)同行參考。

1 基本風(fēng)壓的定義

(1)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 5009-2001(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)規(guī)范)中定義的基本風(fēng)壓為：“根據(jù)全國(guó)各氣象臺(tái)站歷年來(lái)的最大風(fēng)速記錄，按基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)要求，將不同風(fēng)儀高度和時(shí)次時(shí)距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算為離地10m高，自記10min平均年最大風(fēng)速(m/s)。根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速V0。再按貝努利公式W0=1/2ρV02確定基本風(fēng)壓?！币部山y(tǒng)一按公式W0=V02/1600(kN/m2)或W0=0.625V02(N/m2)計(jì)算。

中國(guó)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：

(2)美國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(《建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載》)美標(biāo)ASCE 7-10(以下簡(jiǎn)稱美國(guó)規(guī)范)中對(duì)風(fēng)荷載的規(guī)定進(jìn)行了全面改寫(xiě)，并將風(fēng)荷載的規(guī)定由原來(lái)的第6章擴(kuò)充為六個(gè)章節(jié)(第26章到第31章)，并統(tǒng)一了美國(guó)各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的基本設(shè)計(jì)原則和荷載取值標(biāo)準(zhǔn)及荷載組合原則、荷載分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)的取值規(guī)定，因?yàn)閷?duì)基本風(fēng)速的取值進(jìn)行了修訂，故風(fēng)荷載系數(shù)分項(xiàng)從ASCE 7-05的1.6修訂為ASCE 7-10的1.0。其基本風(fēng)速定義可譯為：“離地10m高，地面粗糙度為C，3s陣風(fēng)風(fēng)速，無(wú)颶風(fēng)傾向地區(qū)重現(xiàn)期50年，颶風(fēng)傾向地區(qū)的重現(xiàn)期500年。”

美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)風(fēng)壓p(相當(dāng)于中國(guó)Wk)公式：

p =qZGCp- q1(GCpi)(N/m2)(對(duì)于開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)而言(GCpi)=0)

式中：qz為速度壓力(相當(dāng)于中國(guó)的μzW0)；G為陣風(fēng)影響系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)的βz，但取值有所不同)；Cp為風(fēng)載體型系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的μs，但取值略有不同)。美國(guó)規(guī)范速度壓力qz公式：

式中：Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)的μz，但取值略有不同)；Kzt為地形因素系數(shù)(對(duì)于平地取1.0)；Kd為風(fēng)方向性因素系數(shù)(美國(guó)規(guī)范規(guī)定一般可取0.85～0.95，或按公式計(jì)算)；V為基本風(fēng)速(相當(dāng)于中國(guó)的V0)；

(3)中國(guó)規(guī)范中的基本風(fēng)壓公式W0=1/2ρV02，是世界上大多數(shù)國(guó)家都通用的。如美國(guó)規(guī)范中速度壓力計(jì)算公式中不考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kz和風(fēng)方向性因素系數(shù)Kd等，則有qz=0.613V2與中國(guó)規(guī)范的0.625V02基本相當(dāng)。這就是說(shuō)中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中荷載計(jì)算的差異不在風(fēng)速和風(fēng)壓轉(zhuǎn)換關(guān)系上，而在于風(fēng)速的定義和取值上。

(4)比較中國(guó)和美國(guó)的基本風(fēng)速定義可知：基本風(fēng)速定義中涉及到離地高度、地面粗糙度、平均時(shí)距、荷載重現(xiàn)期等因素。中國(guó)和美國(guó)規(guī)范基本風(fēng)速定義中相同的部分是：離地高度都是10m；荷載重現(xiàn)期都是50年；而不同的部分是地面粗糙度和平均時(shí)距。

2 基本風(fēng)速的比較與轉(zhuǎn)換

由以上的分析可知：中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中風(fēng)荷載的取值差異，主要是由基本風(fēng)速定義不同引起的。所以作為設(shè)計(jì)依據(jù)首先要對(duì)中國(guó)和美國(guó)的基本風(fēng)速進(jìn)行比較。

2.1 關(guān)于地面粗糙度的選取

(1)中國(guó)規(guī)范中，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類(lèi)：

A 類(lèi)指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；

B 類(lèi)指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘嶺以及房屋比較稀梳的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；

C 類(lèi)指有密集建筑群的城市市區(qū)；

D 類(lèi)指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

基本風(fēng)速定義中選用的地面粗糙度為B類(lèi)。

(2)美國(guó)規(guī)范中，地面粗糙度可分為B、C、D三類(lèi)：

B 類(lèi)指城市及市郊地區(qū)、樹(shù)林地區(qū)、或其他具有許多障礙物的地區(qū)，該障礙物大小如獨(dú)戶住宅或更大一點(diǎn)，且彼此靠近；

C 類(lèi)指具有高度小于9.1m的障礙物的開(kāi)闊地區(qū)。這一類(lèi)別包括平坦、開(kāi)闊的鄉(xiāng)村及草原；

D 類(lèi)指平原、直接暴露于叢開(kāi)闊水面上吹來(lái)的風(fēng)的無(wú)障礙海岸地區(qū)。這一類(lèi)別包括泥平地、鹽堿地和不間斷的冰地。

(3)美國(guó)規(guī)范中根據(jù)地面粗糙度又確定了B、C、D三類(lèi)暴露類(lèi)別：

暴露類(lèi)別B：對(duì)于屋面平均高度小于等于9.1m的建筑物，暴露類(lèi)別B適用于地面粗糙度類(lèi)別為B的地形應(yīng)在迎風(fēng)方向大于457m。對(duì)于平均屋面高度大于9.1m的建筑物，暴露類(lèi)別B適用于地面粗糙度類(lèi)別為B的地形在迎風(fēng)方向大于792m或建筑物高度的20倍以遠(yuǎn)處；

暴露類(lèi)別C：用于暴露類(lèi)別B或D不適用的所有情況；

暴露類(lèi)別D：適用于地面粗糙度類(lèi)別為D的地形在迎風(fēng)方向大于1524m或建筑物高度的20倍以遠(yuǎn)處。也適用于在迎風(fēng)方向先經(jīng)過(guò)之前定義的暴露類(lèi)別為D的地形，然后建筑物場(chǎng)地附近的地形粗糙度類(lèi)別為B或C，且該地形在183m內(nèi)或建筑物高度的20倍以內(nèi)，取較大值。

(4)對(duì)中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中的地面粗糙度類(lèi)別進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 中美規(guī)范中地面粗糙度對(duì)比

盡管中美兩國(guó)規(guī)范中對(duì)地面粗糙度分類(lèi)有所不同，但是氣象臺(tái)一般均設(shè)立在開(kāi)闊平坦地區(qū)，均取此類(lèi)地形作為基本風(fēng)速取值的基準(zhǔn)，因此中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中地面粗糙度的條件是基本一致的。

2.2 平均風(fēng)速時(shí)距

平均風(fēng)速時(shí)距是指觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料時(shí)所規(guī)定的時(shí)間間隔，一般取該時(shí)間間隔的平均最大風(fēng)速。在同一個(gè)氣象臺(tái)，平均時(shí)距越小則記錄得到的平均最大風(fēng)速越大，反之亦然。這是導(dǎo)致中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中基本風(fēng)速取值不同的主要原因。

不同時(shí)距的基本風(fēng)速值可按IEC 60826附錄圖A.7(見(jiàn)圖1)所示進(jìn)行換算。

圖1 不同時(shí)距風(fēng)速換算示意

假設(shè)在中國(guó)規(guī)范中地面粗糙度B類(lèi)地區(qū)，設(shè)時(shí)距為10min的風(fēng)速為V中，時(shí)距為3s的風(fēng)速為V美，現(xiàn)將V美換算成V中。查圖中直線B得3s時(shí)距的系數(shù)為1.39，即V美=1.39V中。再由基本風(fēng)壓公式W0=1/2ρV02得出：

風(fēng)壓比：W美/W中=V美2/V中2=1.93

由此可知，平均風(fēng)速時(shí)距取值越短，則風(fēng)壓值越大，反之則越小。中國(guó)規(guī)范中取10min為平均風(fēng)速時(shí)距；但是世界各國(guó)各有不同的規(guī)定。例如美國(guó)取3s，前蘇聯(lián)取3min，歐洲規(guī)范取10min，加拿大取60min，日本取瞬時(shí)，英國(guó)根據(jù)建筑物或構(gòu)件尺寸不同，分別取3s、5s和15s等。因此應(yīng)用不同國(guó)家的設(shè)計(jì)資料時(shí)必須進(jìn)行風(fēng)速值的換算，換算系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 B類(lèi)地區(qū)不同風(fēng)速時(shí)距換算

2.3 不同重現(xiàn)期風(fēng)壓的換算

荷載重現(xiàn)期不同，最大風(fēng)速的保證率不同，相應(yīng)的最大風(fēng)速值也不同。荷載重現(xiàn)期的取值直接影響到結(jié)構(gòu)的安全度，對(duì)于風(fēng)荷載比

較敏感的結(jié)構(gòu)，重要性不同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)有可能采用不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的安全水準(zhǔn)。不同重現(xiàn)期風(fēng)壓間的換算系數(shù)可按表3取值。

表3 不同重現(xiàn)期與50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓換算系數(shù)

3 風(fēng)荷載的計(jì)算與比較

現(xiàn)以筆者已設(shè)計(jì)完成項(xiàng)目為例，對(duì)中美兩國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載的計(jì)算進(jìn)行分析比較。在蘇丹220kV輸電線路工程中，國(guó)外業(yè)主提供的原始資料：風(fēng)速按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(離地高度10m，3s陣風(fēng)，50年重現(xiàn)期，地面粗糙度為C類(lèi))，基本風(fēng)速為47m/s。中國(guó)現(xiàn)行《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定220kV輸電線路的荷載取值標(biāo)準(zhǔn)為離地高度10m，10min平均最大風(fēng)，30年重現(xiàn)期，地面粗糙度為B類(lèi)。下面以自立式直線鐵塔SZ為例進(jìn)行計(jì)算，塔高40m，風(fēng)壓高度取離地20m處(鐵塔結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載是主要荷載)。

3.1 按美國(guó)規(guī)范進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算

美國(guó)規(guī)范速度壓力qz計(jì)算：

(此處參照《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading》要求，按90度方向風(fēng)吹，Kd取1.0)

美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)風(fēng)壓p計(jì)算：

3.2 按中國(guó)規(guī)范進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)中美風(fēng)速的換算關(guān)系：

WK=βzμsμzW0μt= 1.35×1.3×1.25×0.625×33.82×0.93=1456.7(N/m2)(按30年重現(xiàn)期計(jì)算)

3.3 中美風(fēng)荷載取值的比較

式中：D為恒荷載；W為風(fēng)荷載；

從兩國(guó)的荷載組合式中可以看出：恒荷載的取值完全相同，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值的取值有區(qū)別，美國(guó)規(guī)范直接取風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值，而中國(guó)規(guī)范取風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值×1.4系數(shù)。(對(duì)相同的擋風(fēng)面積來(lái)說(shuō)風(fēng)壓比就是風(fēng)載比)

中國(guó)規(guī)范風(fēng)壓設(shè)計(jì)值為：1.4×W=1.4×1456.7=2039.4(N/m2)

美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載與中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載的比值：K=2650.7/2039.4=1.30

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算比較后可知，均按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)同一鐵塔結(jié)構(gòu)，美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值是中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值的1.3倍，如果《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中荷載重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)提高到50年，則美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值是中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值的1.21倍。按美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的鐵塔結(jié)構(gòu)更加偏于安全。

4 結(jié)語(yǔ)

由于對(duì)基本風(fēng)速的定義和測(cè)量取值方法的不同，從而導(dǎo)致了中國(guó)和美國(guó)規(guī)范基本風(fēng)速值大小的差異，也導(dǎo)致了中國(guó)和美國(guó)風(fēng)荷載取值的差異。通過(guò)上面的計(jì)算分析可知：在同一地區(qū)采用美國(guó)規(guī)范所計(jì)算所得的基本風(fēng)壓值約為中國(guó)規(guī)范風(fēng)壓值的2倍，但是通過(guò)荷載組合后美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值約為中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值的1.30倍。在進(jìn)行國(guó)外項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該搞清楚業(yè)主或咨詢機(jī)構(gòu)提供的現(xiàn)場(chǎng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的具體含義，如基本風(fēng)速為3s陣風(fēng)風(fēng)速，則采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需轉(zhuǎn)換為10min平均最大風(fēng)速，這樣的計(jì)算結(jié)果才會(huì)基本合理。

上述的計(jì)算比較僅僅是筆者針對(duì)輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，風(fēng)荷載的計(jì)算受多種因素的影響，如換為其它結(jié)構(gòu)模型，則各項(xiàng)計(jì)算系數(shù)取值會(huì)有所不同，所以最終的計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所差異，不同結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需按實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真分析，不能一概而論。本文也只是提出了比較理想情況下的風(fēng)荷載計(jì)算比較，供各位設(shè)計(jì)同仁參考并歡迎提出批評(píng)指正。

[1]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[3]張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計(jì)算手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.

[4]晉東南～南陽(yáng)～荊門(mén)1000kV輸電線路工程桿塔荷載設(shè)計(jì)研究[R].北京：中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)公司專 題研究報(bào)告，2006.

[5]劉迪，李立昌.2010年版美國(guó)建(構(gòu))筑物荷載規(guī)范有關(guān)風(fēng)荷載部分修改簡(jiǎn)介[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011，(02).

[6]ASCE 74-2009，Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading[S].

[7]IEC 60826-2003，Design Criteria of Overhead Transmission Lines[S].

[8]GB 50545-2010，110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].