劉德平，趙永勝，陳全勇，張文杰

(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

國內(nèi)外基本風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的比較研究

劉德平，趙永勝，陳全勇，張文杰

(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

隨著國外電力勘測設(shè)計市場的不斷拓展，對國外勘測設(shè)計規(guī)范的理解和掌握就顯得越來越重要。本文結(jié)合目前國外市場的開拓情況，對美國、歐洲等國的風(fēng)荷載規(guī)范的基本風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比研究。通過分析各國風(fēng)荷載規(guī)范中對基本風(fēng)速定義方面的差異，結(jié)果表明各國在設(shè)計風(fēng)速的差異主要體現(xiàn)在基本風(fēng)速的時距和重現(xiàn)期兩方面，本文還給出了風(fēng)速轉(zhuǎn)換中的常用關(guān)系和有關(guān)國家的標(biāo)準(zhǔn)名稱，便于在實(shí)際工作中引用。

國內(nèi)外；基本風(fēng)速；差異；轉(zhuǎn)換。

1 問題的提出

隨著國外電力勘測設(shè)計市場的不斷拓展，對國外勘測設(shè)計規(guī)范的理解和掌握就顯得越來越重要。在電力勘測設(shè)計方面，水文氣象專業(yè)需要對風(fēng)速資料進(jìn)行搜集、整理和分析。由于國外風(fēng)荷載規(guī)范的差異較大，這就需要研究各國在基本風(fēng)速方面的相關(guān)規(guī)定，找出其與中國規(guī)范的差異，并轉(zhuǎn)換為中國規(guī)范相應(yīng)的設(shè)計風(fēng)速，使得結(jié)構(gòu)專業(yè)可以根據(jù)國內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行相關(guān)風(fēng)荷載分析計算。

2 中外風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中基本風(fēng)速

2.1 中國荷載規(guī)范中的基本風(fēng)速

中國規(guī)范中基本風(fēng)速v0的定義是：一般空曠平坦地面B類粗糙度，離地10m高10min平均時距，按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運(yùn)動遇到阻塞時，將對阻塞物產(chǎn)生壓力，即風(fēng)壓。一般采用某一時段(如10min)的平均風(fēng)速而不是瞬時風(fēng)速，作為確定風(fēng)壓和衡量風(fēng)災(zāi)的依據(jù)。風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系如下：

中國標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)規(guī)定：當(dāng)風(fēng)速按年最大值取樣，采用極值I型，推求50年一遇10m高10min平均最大風(fēng)速時，得到的設(shè)計風(fēng)速。

2.2 國外荷載規(guī)范中的基本風(fēng)速

目前國外主流的風(fēng)荷載規(guī)范是美國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其他國家大多以這兩種規(guī)范為基礎(chǔ)，做相應(yīng)的調(diào)整。結(jié)合目前國外市場的開拓情況，本次研究先后搜集到了美國、歐洲、英國、印度、越南、馬來西亞、印度尼西亞、菲律賓、委內(nèi)瑞拉等國與風(fēng)荷載規(guī)范相關(guān)的文獻(xiàn)。

2.2.1 美國風(fēng)荷載規(guī)范中的基本風(fēng)速

美國現(xiàn)行風(fēng)荷載規(guī)范為《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(ASCE/SEI 7-10)，自2010年1月1日實(shí)施。這之前的風(fēng)荷載版本為《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(ASCE/SEI 7-05)，該版本在風(fēng)荷載部分仍沿用關(guān)于基本風(fēng)速的定義，因此參考美國標(biāo)準(zhǔn)的其他國家的關(guān)于基本風(fēng)速的定義亦與ASCE/SEI 7-05中基本風(fēng)速的定義一致。

美國規(guī)范中基本風(fēng)速v0的規(guī)定是：C類粗糙度場地，離地33ft高(即高10m)，時距為3s的陣風(fēng)風(fēng)速，按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風(fēng)速。

根據(jù)文獻(xiàn)4的研究，現(xiàn)行的ASCE/SEI 7-10規(guī)范中，關(guān)于基本風(fēng)速的重現(xiàn)期與ASCE/SEI 7-05發(fā)生了較大變化，05版本對于除易遭受颶風(fēng)影響的地區(qū)采用500年一遇的標(biāo)準(zhǔn)外，其他地區(qū)(一般地區(qū))的基本風(fēng)速重現(xiàn)期均采用50年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。10版本根據(jù)建構(gòu)筑物遭受風(fēng)災(zāi)后的損失不同采用不同的平均重現(xiàn)期，不同建(構(gòu))筑物風(fēng)災(zāi)害類別分別取為300年、700年或1700年。按照同一地區(qū)、同一類建(構(gòu))筑物新舊規(guī)范計算出的風(fēng)荷載相等的原則確定的，也就是說ASCE/SEI 7-10中的重現(xiàn)期是按照新舊規(guī)范風(fēng)荷載相等的原則計算出來的。

2.2.2 歐洲風(fēng)荷載規(guī)范中的基本風(fēng)速

現(xiàn)行的歐洲荷載規(guī)范《Eurocode 1:Actions on structures-General actions-Part 1-4:Wind actions》(EN 1991-1-4:2005)中關(guān)于基本風(fēng)速的定義與中國荷載規(guī)范一致，均為離地10m高50年一遇10min平均最大風(fēng)速。歐洲各國自己按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定本國的基本風(fēng)速圖。

2.2.3 英國風(fēng)荷載規(guī)范中的基本風(fēng)速

英 國的風(fēng)荷載規(guī)范為《Loading for buildings-Part 2:Code of practice for wind loads》(BS 6399-2:1997)，在歐洲規(guī)范實(shí)施后其過渡期截止2010年。英國對現(xiàn)行歐洲規(guī)范的編號為《Eurocode 1: Actions on structures— Part 1-4:General actions –Wind actions》(BS EN 1991-1-4:2005)，因此目前英國執(zhí)行了歐洲規(guī)范。

2.2.4 其他各國風(fēng)荷載規(guī)范中基本風(fēng)速

本次研究主要依靠互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了大量的搜資，先后收到了印度、菲律賓、馬來西亞、印度尼西亞、委內(nèi)瑞拉、新西蘭等國的標(biāo)準(zhǔn)，其基本風(fēng)速在時距、重現(xiàn)期方面的差異列于表1。

有關(guān)文獻(xiàn)指出，越南規(guī)范正向歐洲規(guī)范靠攏，即擬采用50年一遇10min平均最大風(fēng)速；委瑞瑞拉的風(fēng)速時距特別怪異，其時距為74s。馬來西亞規(guī)定50年一遇3s風(fēng)速不低于32.5m/s，近海不低于33.5m/s。

不同國家對內(nèi)陸和沿海采用不同的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)陸標(biāo)準(zhǔn)大多為50年一遇，沿海考慮臺風(fēng)影響，其重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)高于內(nèi)陸。

2.3 中外荷載規(guī)范中基本風(fēng)速的差異及轉(zhuǎn)化關(guān)系

2.3.1 基本風(fēng)速差異分析

通過分析各國風(fēng)荷載規(guī)范中對基本風(fēng)速定義方面的差異，結(jié)果表明，各國在設(shè)計風(fēng)速的差異主要體現(xiàn)在基本風(fēng)速的時距和重現(xiàn)期兩方面。在各個國家的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)時距取值存在不一致，例如，美國、印度、澳大利亞取3s；中國、前蘇聯(lián)、日本、歐洲規(guī)范和國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會ISO取10min；加拿大取1h。具體差異見表1。

表1 國內(nèi)外基本風(fēng)速采用的標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 轉(zhuǎn)換關(guān)系

由于脈動風(fēng)的影響，時距越短，風(fēng)速值就越大。在利用不同規(guī)范進(jìn)行風(fēng)荷載計算時，通常需要注意對基本風(fēng)壓進(jìn)行兩個方面的換算：時距和重現(xiàn)期。

(1) 時距轉(zhuǎn)換

時距不同，所求得的平均風(fēng)速也不同。文獻(xiàn)[5]根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對不同時距平均風(fēng)速的比較，統(tǒng)計得到了近似的比值關(guān)系見表2。需要說明的是，表2中給出的是平均值，實(shí)際上很多因素可能影響這個比值關(guān)系。

表2 各種不同時距與10分鐘時距風(fēng)速的平均比值

(2 )重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換

重現(xiàn)期不同，相應(yīng)的最大風(fēng)速值也不同。重現(xiàn)期的取值直接影響到結(jié)構(gòu)的安全度，對于風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，重要性不同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時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)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)國外規(guī)范以及我國各地風(fēng)壓資料為基礎(chǔ)統(tǒng)計平均得出的比值，不同重現(xiàn)期風(fēng)壓比值可表示為：

式中：T為待轉(zhuǎn)化的重現(xiàn)期。

對于重現(xiàn)期為30年或50年的風(fēng)速，可利用表3的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

表3 不同重現(xiàn)期風(fēng)壓比值

中國標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)規(guī)定：全國各個站臺重現(xiàn)期為10年、50年和100年的風(fēng)壓給出了參考值(規(guī)范附表D.4)，其他重現(xiàn)期R的相應(yīng)值可按下式確定：

xR、x10、x100—重現(xiàn)期為R、10、100年的風(fēng)壓。

以上是關(guān)于風(fēng)壓重現(xiàn)期的比值關(guān)系。

而關(guān)于不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值，建議先將風(fēng)壓進(jìn)行重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換再由風(fēng)壓轉(zhuǎn)化為風(fēng)速，或采用文獻(xiàn)[1]中的Peterka-Shahid公式：

(6)式是50年重現(xiàn)期的風(fēng)速與其它重現(xiàn)期T的換算關(guān)系。該式在美標(biāo)ASCE/SEI 7-10中已有體現(xiàn)。

需要說明的是，不同重現(xiàn)期風(fēng)速的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是基于缺少風(fēng)速系列資料的原因，在有資料情況下應(yīng)以風(fēng)速系列的頻率分析為準(zhǔn)，因?yàn)轱L(fēng)壓由風(fēng)速計算而得，而風(fēng)速服從相關(guān)的統(tǒng)計分布規(guī)律。

3 幾點(diǎn)建議

(1) 各國規(guī)范在不斷修訂，基本風(fēng)速或風(fēng)壓也許會發(fā)生變化，需要隨時跟蹤掌握，如美國和英國規(guī)范。

(2) 考慮到各國基本風(fēng)速定義的差異，涉外勘測設(shè)計中對于風(fēng)速(或風(fēng)荷載)的取值宜執(zhí)行合同中給定的風(fēng)壓取值或征得當(dāng)?shù)貥I(yè)主的認(rèn)可。

(3) 有些國家規(guī)定基本風(fēng)速或風(fēng)壓必須執(zhí)行其國家的標(biāo)準(zhǔn)取值，設(shè)計人員不可以收集原始資料來分析，如獨(dú)聯(lián)體國家。

(4) 有些國家的基本風(fēng)速(風(fēng)壓)的給定重現(xiàn)期較低，在轉(zhuǎn)化為中國標(biāo)準(zhǔn)時會很大，建議在考慮合同中給定的技術(shù)條件的前提下，在安全與經(jīng)濟(jì)上尋求平衡以期業(yè)主和總包商提供更好的服務(wù)。

[1]ASCE/SEI 7-10．Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S]．

[2]ASCE/SEI 7-05．Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S]．

[3]C,E,N, Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4:General actions - Wind actions[S]．

[4]劉迪，等．2010年版美國建(構(gòu))筑物荷載規(guī)范有關(guān)風(fēng)荷載部分修改簡介[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2011，(2)．

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

Comparative Study between Domestic And Foreign Basic Wind Speed Standard

LIU De-ping, ZHAO Yong-sheng, CHEN Quan-yong, ZHANG Wen-jie
(Central southern Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

As the market of electric Power Survey design continues to expand, understand and master of the foreign survey design specification becomes increasingly important. Combining the research of our overseas market, the United States, Europe, the United Kingdom, India, Vietnam, Malaysia, Indonesia, the Philippines, Venezuela and other countries wind load specifications related to the design wind speed yield criterion of a comparative study. The results showed that by analyzing the basic wind speed defined differences in countries wind load specifications, the design wind speed differences are mainly re fl ected in two aspects of the basic wind speed time-distance and return period, also commonly given wind speed conversion name and the relevant national standards, to facilitate practical work references.

wind speed; difference; conversion.

P49

B

1671-9913(2013)02-0030-04

2012-09-29

劉德平(1966- ) , 男, 湖北仙桃人, 高級工程師, 主要從事工程水文氣象研究。