臧傳田　郭小農　劉林林　曾強　黃瑋嘉

(1.中國建筑股份有限公司阿爾及利亞分公司,北京 100026; 2.同濟大學建筑工程系,上海 200092)

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中國和阿爾及利亞風荷載計算方法對比

臧傳田1郭小農2,*劉林林2曾強1黃瑋嘉2

(1.中國建筑股份有限公司阿爾及利亞分公司,北京 100026; 2.同濟大學建筑工程系,上海 200092)

摘要風荷載是建筑結構的主要荷載之一,在某些建筑結構中甚至起主導作用。隨著我國建筑施工單位的業(yè)務不斷國際化,以阿爾及利亞為代表的非洲建筑市場得到了越來越多的關注;我國建筑企業(yè)在阿爾及利亞的業(yè)務不斷增長,因此有必要學習和掌握阿爾及利亞規(guī)范。簡要介紹了阿爾及利亞規(guī)范中關于風荷載的計算方法和計算原理,并與中國規(guī)范進行對比,總結了兩國規(guī)范在風荷載的計算方法和參數取值上的異同。

關鍵詞風荷載, 阿爾及利亞, 體型系數, 風振系數

Comparative Study on the Wind Load Calculation MethodBetween the Code of Algeria and China

ZANG Chuantian1GUO Xiaonong2,*LIU Linlin2Zeng Qiang1HUANG Weijia2

(1.China State Construction Engrg.Corp.Ltd Direction General Pour L’ Algeria,Beijing,100026,China;

2.Department of Structural Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractThe wind load is one of the most important loads for the civil engineering works, and it even plays a dominant role in some structures. With the internationalization of business of Chinese construction companies, the Africa construction market, represented by Algeria has got increasing attention. As the business of Chinese construction entities in Algeria is growing, therefore, it is necessary to learn and master the Algeria standard. This paper introduced the calculation principle and method of wind load in Algeria standard briefly, compared that with Chinese codes, and summarized the similarities and dissimilarities of them.

Keywordswind load, Algeria, pressure coefficient, wind-induced vibration coefficient

1引言

風荷載是建筑結構的主要荷載之一,在某些建筑結構中甚至起主導作用。如果結構的抗風設計不恰當,可能會使建筑結構產生較大的振動和變形,影響設備的正常使用和人的舒適度;甚至還可能使結構產生局部破壞,乃至整體破壞,對人的生命安全造成威脅。

隨著我國建筑施工單位的業(yè)務不斷國際化,以阿爾及利亞為代表的非洲建筑市場得到了越來越多的關注。阿爾及利亞位于非洲西北部,北臨地中海,是非洲第四大經濟體。2005年來,阿爾及利亞一直在大力進行大型基礎設施建設;近年來,我國企業(yè)在阿爾及利亞建筑市場中的份額不斷擴大,項目數量和規(guī)模不斷增大;因此,了解阿爾及利亞的風荷載計算方法及其原理是非常有必要的。

本文以阿爾及利亞康斯坦丁萬豪酒店項目為背景,簡要介紹了阿爾及利亞現行規(guī)范[1]中關于風荷載的計算方法和計算原理,并與中國《建筑結構荷載規(guī)范》(GBJ 0009—2012)[2]以及《高聳結構設計規(guī)程》(GBJ 0135—2006)[3]的風荷載計算方法進行對比。

2阿爾及利亞風荷載計算方法

2.1　適用范圍和建筑類型

《阿爾及利亞風雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]中關于風荷載的內容適用于高度在200 m以內的一般房屋、高層建筑和倉儲工程,以及采用桁架式的豎直構筑物(如鐵塔、升降機、腳手架等)。規(guī)范將建筑物分為兩類:類型Ⅰ包括所有常見的房屋建筑(如工業(yè)廠房、民用建筑等)和倉儲工程(倉庫、水塔、貯藏塔等);類型Ⅱ主要是指高壓線鐵塔、升降機、腳手架等鏤空桁架結構和煙囪等高聳結構。

對于類型Ⅰ的建筑,風壓力標準值的計算公式如下:

(1)

式中,Cd為動力系數;Ce為高度為z處的感風系數;Cpe為外部壓力系數;Cpi為內部壓力系數;qref為基本風壓,根據風區(qū)取值。

對于類型Ⅱ的建筑,風壓標準值的計算公式如下:

(2)

式中,Cfj為總壓力系數;其余參數的意義和式(1)完全一致。

在我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB20009—2012)[1]中,風壓標準值的計算公式如下:

(3)

式中,wk為風荷載標準值;βz為風振系數;μs為風荷載體型系數;μz為風壓高度變化系數;w0為基本風壓。

對比式(1)-式(3)可以發(fā)現,阿爾及利亞規(guī)范和我國規(guī)范關于風荷載的計算方式和參數定義基本相同,阿爾及利亞規(guī)范中的動力系數Cd相當于我國規(guī)范中的動力系數βz,感風系數Ce相當于風壓高度變化系數μz,壓力系數Cpe, Cpi,Cfj對應于體型系數μs。計算時,都是用感風系數(或高度系數)對基本風壓進行調整,用動力系數來反映結構在脈動風作用下的動力響應,并采用壓力系數考慮建筑物體型的影響。下文將對計算公式中的各個參數逐一進行對比。

2.2　基本風壓qref

基本風壓qref根據基本風速計算得到,其計算公式為

(4)

式中,Vref為基本風速;ρ為空氣的密度,取1.20 kg/m3。

根據阿爾及利亞規(guī)范的規(guī)定,各風區(qū)的基本風速和基本風壓取值如表1所示。

關于基本風速的規(guī)定,阿爾及利亞規(guī)范和我國規(guī)范是相同的:基本風速Vref規(guī)定為空曠平坦地區(qū)離地10 m高度處10 min平均最大風速,重現期為50年,年超越概率為2%。阿爾及利亞規(guī)范基本風速所對應的地貌是I類地貌。從表1可以看出,阿爾及利亞Ⅰ區(qū)(如地中海南岸的阿爾及爾)的基本風速,和我國的重慶市基本相當。

表1基本風壓和基本風速取值表

Table 1　The value of basic wind pressure andbasic wind velocity

2.3　動力系數Cd

阿爾及利亞規(guī)范中的動力系數的取值與結構材料以及建筑物的高度和寬度有關。對于高度200 m以下的一般房屋或煙囪,動力系數Cd可以根據圖1確定。當高寬比很大時,無法根據圖1查詢Cd的值,此時可以采用下述公式計算:

(5)

大部分情況下Cd可直接查圖1確定,故式(5)的具體計算在此不再贅述。

圖1　動力系數Cd值Fig 1　The value table of dynamic coefficient Cd

相比于中國規(guī)范,阿爾及利亞規(guī)范中的動力系數Cd主要有以下幾個特點:首先,在實際工程中,湍流強度是沿高度變化的,阿爾及利亞規(guī)范為了簡化公式,將整個結構高度的動力系數都用基準高度處的值來統(tǒng)一代表;而中國規(guī)范中,采用風振系數βz來考慮脈動風作用下的風振響應,風振系數βz沿高度是變化的。其次,阿爾及利亞規(guī)范中的動力系數不僅考慮了湍流產生的共振,還考慮了結構表面風壓力不完全相關引起的減弱效應,因此其值可能小于1,尤其是高寬比較小的結構,其動力系數一般小于1;而我國規(guī)范中,風振系數一般都大于1。

2.4　感風系數Ce

感風系數Ce是考慮地面粗糙度、場地因素和地面高度等因素的一個參數,當結構對動力激發(fā)不敏感時,其計算公式如下:

(6)

式中,KT為由地面粗糙度類別決定的常數;Cr為粗糙度系數;Ct為地形系數;z為參考點的高度。

當結構對動力激發(fā)敏感時,還需采用另外的公式進行計算,此處不再贅述。

2.4.1地面粗糙度系數Cr

為了計算地面粗糙度系數,首先需要對地貌類別進行劃分。阿爾及利亞規(guī)范中對地面粗糙度的劃分如表2所示。從表2可以看出,阿爾及利亞規(guī)范和中國規(guī)范對地面粗糙度的劃分大概一致,阿爾及利亞的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類地面粗糙度分別對應中國的A、B、C、D類地面粗糙度。

地面粗糙度系數Cr考慮了地面粗糙度類別和結構高度對平均風壓的影響,其計算公式如下:

式中,z0為標準高度;zmin為最小高度。式中的KT,z0和zmin可根據表3查詢得到。

從式(7)可以看出,地面粗糙度系數和我國規(guī)范中的高度系數相當,均是考慮地面粗糙度類別和結構高度的參數。從式(6)可以看出,阿爾及利亞的風荷載大致是和地面粗糙度系數的平方成正比關系;而從式(3)可以看出,我國的風荷載大致是和高度系數成正比關系。圖2給出了Cr2和μz的對比關系圖,圖中CHN-A代表中國規(guī)范中A類粗糙度情況下μz與離地面高度的關系曲線,RNV-Ⅰ代表阿爾及利亞規(guī)范中Ⅰ類地面粗糙度情況下Cr2與離地面高度的關系曲線,其余類推。從圖2可以看出對應相同的粗糙度類別,Cr2的值稍大,但兩者相差不多,說明兩國規(guī)范在考慮地面粗糙度和結構高度對風壓影響時采用的原則大概一致。

表2中阿規(guī)范對地面粗糙度的劃分和描述

Table 2　The classifications and descriptions of surface roughness in Chinese and Algerian Code

圖2　Cr2和μz的對比圖Fig.2　The comparison between Cr2 and μz

表3地面類型及相關系數取值

Table　The values of coefficients related tosurface roughness

2.4.2地形修正系數Ct

地形修正系數是考慮到當風吹過山嶺、起伏地面等障礙物時,風速會加快而引入的一個系數。地形修正系數可以按表4取值,對于高原和山嶺附近的地形,阿爾及利亞還給出了更為精確的計算公式,此處不再贅述。我國規(guī)范中,對于山區(qū)的建筑,同樣也考慮了地形修正系數η。對于山間盆地、谷地等閉塞地形外,η取值為0.75~0.85之間。其余情況下η取值均大于1。對于遠海和海島建筑物,風壓計算時也需要考慮修正系數。

表4地形系數取值

Table　The value of terrain coefficient

2.5　壓力系數

從式(1)可以看出,對于I類建筑,可以采用內部壓力系數和外部壓力系數之差來計算總壓力系數;而對于Ⅱ類建筑,規(guī)范直接給出了總的壓力系數Cf;Cf的計算需要考慮到建筑物體型以及渦流振動等因素,計算相對復雜,此處不作介紹,下文主要介紹最為常見的I類建筑的壓力系數計算。

外部壓力系數與風向和建筑物外部形狀等因素有關,是關于受荷面積的遞減函數。阿爾及利亞規(guī)范給出了矩形建筑、圓形建筑以及不同形式的屋頂等數十種常見建筑的外部壓力系數。內部壓力系數與建筑物門窗洞口、透風比率有關。對于不透風的建筑,內部壓力系數取0。對于獨立屋頂,按最不利情況取值,內部壓力系數取0.8和-0.5。其余情況下,內部壓力系數的取值都可以根據建筑物形體在規(guī)范中查表得到。

阿爾及利亞規(guī)范中的內外壓力系數之差Cpe-Cpi,相當于我國規(guī)范中的體型系數μs。圖3給出了最為典型的雙坡屋頂封閉廠房的體型系數對比。從圖3可以看出,阿爾及利亞規(guī)范中將雙坡屋頂劃分為5個區(qū)域,并按照每15°的坡度給出了各個區(qū)域的外部壓力系數,比我國規(guī)范要細致一些;但兩國規(guī)范的體型系數取值差異不大。圖4給出了典型的穹頂體型系數的對比。通過圖4可以發(fā)現兩國規(guī)范對于穹頂結構的體形系數取值也是大致相同的。

3具體算例

下面以康斯坦丁萬豪酒店鋼結構穹頂為例,比較阿爾及利亞規(guī)范中的風荷載和我國風荷載計算的異同。萬豪酒店鋼屋頂是一個圓形穹頂結構,其東西向寬度為16.5 m,南北向寬度為16.5 m,最大跨度16.5 m,最大矢高約為13 m。具體尺寸詳見圖5。結構基本周期為0.237 9 s。

表5給出了按照阿爾及利亞規(guī)范計算穹頂風荷載的計算過程和計算結果。表6給出了按照我國荷載規(guī)范計算穹頂風荷載的計算過程和計算結果。計算時,假定該穹頂位于上海,地面粗糙度類別為B類。對比表5和表6可以看出,康斯坦丁的風荷載和上海地區(qū)大致相當。

4結論

綜上所述,可以得出如下結論:

圖3　雙坡屋頂封閉廠房的μs和Cpe的取值對比Fig 3　The pressure coefficients of enclosed workshop with gable roof μs and Cpe

(1)《阿爾及利亞風雪荷載規(guī)范》與我國《建筑結構荷載規(guī)范》中關于風荷載的計算方法基本相同,都是采用基本風壓與感風系數(或風壓高度變化系數)、動力系數以及體型系數相乘達到。

(2) 兩國規(guī)范在基本風速的定義、地面類型的劃分、地形系數的計算上是基本一致的,僅具體取值存在差異。

圖4　穹頂結構的μs和Cpe的取值對比Fig 4　The pressure coefficients of doom μs and Cpe

(3) 對于大多數情況,阿爾及利亞規(guī)范采用了內部壓力系數和外部壓力系數之差來考慮建筑體型的影響;我國則采用統(tǒng)一的體型系數?！栋柤袄麃嗭L雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]對應不同的建筑體型,分別采用壓力系數和力系數的形式來考慮建筑物橫斷面形狀對風荷載的影響,《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[2]中則采用體型系數。

(4) 《阿爾及利亞風雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]中的動力系數不僅考慮了湍流產生的共振,還考慮了結構表面風壓力不完全相關引起的減弱效應,因此其取值可能小于1,且該參數采用基準高度處的值統(tǒng)一表示。而我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]中,風振系數取值一般大于1,并且沿高度是變化的。

(5) 具體算例表明,相同地形地貌情況下的穹頂建筑,按阿爾及利亞康斯坦丁地區(qū)計算和按上海地區(qū)計算得到的總風荷載基本相當。

圖5　萬豪酒店鋼屋蓋立面圖Fig 5　The elevation drawing of the steel roof ofHOTEL CONSTANTINE

表5穹頂風荷載計算過程和計算結果(按照阿爾及利亞規(guī)范計算)

Table 5　Wind load of the doom (according to Algirian code)

表6穹頂風荷載計算過程和計算結果(按照中國規(guī)范計算)

Table 6　Wind load of the doom (according to Chinese code)

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收稿日期：2014-10-26

*聯系作者， Email:guo-xiao-nong@#edu