劉天英，張 晗，段英連

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021）

隨著中國“走出去”戰(zhàn)略的大力實施，國內(nèi)工程公司開始在一些相對發(fā)達(dá)的國家或地區(qū)承攬項目。這些項目有的在標(biāo)書中直接要求采用美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，有的公司聘請美國咨詢工程師進(jìn)行圖紙確認(rèn)。美國咨詢工程師熟悉美國標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱美標(biāo)），不了解中國標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱中標(biāo)），而中國工程設(shè)計人員熟悉中標(biāo)，這就阻礙了圖紙的確認(rèn)。為便于交流并順利執(zhí)行項目，了解美標(biāo)非常必要，另外，越來越多的國外項目采用美標(biāo)設(shè)計。風(fēng)載為作用在建（構(gòu)）筑物上的基本荷載之一，控制建（構(gòu)）筑物的安全。風(fēng)載進(jìn)一步細(xì)分為順風(fēng)向風(fēng)載（平行于風(fēng)向）、橫風(fēng)向風(fēng)載（垂直于風(fēng)向）和扭轉(zhuǎn)風(fēng)載。順風(fēng)向風(fēng)載在結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常遇到，所以有必要對中美標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載的計算進(jìn)行對比，找出差異并分析對結(jié)果的影響。

1 順風(fēng)向風(fēng)壓

美標(biāo)ASCE 7－10《建筑物及其他構(gòu)筑物最小設(shè)計荷載》對于封閉和部分封閉剛性建筑的主要受力體系設(shè)計風(fēng)壓為：

p＝qGCp－qiGCpi

式中：q為風(fēng)速壓力；G為剛性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)系數(shù)；Cp為外部壓力系數(shù)；Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù)；qi為內(nèi)壓。

對于封閉和部分封閉柔性建筑的主要受力體系設(shè)計風(fēng)壓為：

p＝qGfCp－qiGCpi

式中Gf為柔性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)系數(shù)。

對于迎風(fēng)面墻按q＝qz計算，qz為地面以上高度z 處的風(fēng)速壓力；對于背風(fēng)面墻、側(cè)墻、屋面按q＝qh計算，qh為屋面平均高度h 處的風(fēng)速壓力。為便于對比，不考慮內(nèi)壓，則美標(biāo)公式簡化為p＝qGCp及p＝qGfCp。q＝0.613 KzKztKdv2，式中：v為基本風(fēng)速；Kz為風(fēng)壓暴露系數(shù)；Kzt為特殊地形系數(shù)，對于一般地形，取1.0；Kd為方向系數(shù)，對于主要抗風(fēng)體系取0.85。對于位于一般地區(qū)的建筑物，為建立順風(fēng)向風(fēng)壓p 與基本風(fēng)速v 的關(guān)系，進(jìn)一步推導(dǎo)得出，p＝0.613GCPKzKdv2或p＝0.613GfCPKzKdv2。

中標(biāo)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對于順風(fēng)向風(fēng)載的計算見參考文獻(xiàn)［1］。

從中美標(biāo)準(zhǔn)計算風(fēng)壓的公式中可以看出，風(fēng)壓均是在基本風(fēng)速平方的基礎(chǔ)上乘以一系列系數(shù)得到，數(shù)值系數(shù)有一定的差異，主要是空氣密度取值不同造成。中標(biāo)沒有方向系數(shù)概念，其他系數(shù)雖然在形式有點區(qū)別，但各系數(shù)之間有對應(yīng)關(guān)系（見表1）。

表1 風(fēng)壓系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

2 基本風(fēng)速

從中標(biāo)基本風(fēng)壓定義可以推出基本風(fēng)速v0定義為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛妫?biāo)準(zhǔn)中地面粗糙度B 類）上10m 高度處50年一遇10min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。美標(biāo)基本風(fēng)速v 定義與中標(biāo)不同，為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛妫?biāo)準(zhǔn)中地面粗糙度C類）10m 高度處3s內(nèi)的平均最大風(fēng)速，重現(xiàn)期根據(jù)建筑風(fēng)險等級確定。

中標(biāo)規(guī)定，對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)適當(dāng)提高，承載力設(shè)計時可按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，但并沒提及風(fēng)險等級。美標(biāo)根據(jù)建（構(gòu)）筑物用途以及風(fēng)載對人生命財產(chǎn)危害程度將建（構(gòu)）筑物風(fēng)險等級分為四類（見表2）。根據(jù)不同風(fēng)險等級，取不同重現(xiàn)期。風(fēng)險等級Ⅱ類建（構(gòu)）筑物，平均重現(xiàn)期700年。風(fēng)險等級Ⅲ、Ⅳ類建（構(gòu)）筑物，平均重現(xiàn)期1 700年。風(fēng)險等級Ⅰ類建（構(gòu)）筑物，平均重現(xiàn)期300年。

從中美兩個標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速定義上，可以看出有兩處區(qū)別，分別為重現(xiàn)期及時距不同。重現(xiàn)期中國取50年，而美國重現(xiàn)期根據(jù)建筑物風(fēng)險等級不同取值不同。時距中國取10min，而美國取3s。中美標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載參數(shù)的取值雖然不同，但可以進(jìn)行換算。關(guān)于時距的換算見表3，從表3可以看出，美國基本風(fēng)速v3s與中國基本風(fēng)速v10min關(guān)系為v3s＝1.42v10min。

對于不同重現(xiàn)期間基本風(fēng)速的換算，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)定了風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)進(jìn)行計算，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)定的換算系數(shù)是以重現(xiàn)期為50年的風(fēng)速為基準(zhǔn)，其表達(dá)式為：

表2 美標(biāo)建（構(gòu)）筑物風(fēng)險等級分類

表3 中美標(biāo)準(zhǔn)不同時距時基本風(fēng)速的換算系數(shù)

式中T為重現(xiàn)期，例如對于美標(biāo)風(fēng)險等級Ⅲ類建筑物，重現(xiàn)期T 取1 700年，美標(biāo)基本風(fēng)速v與中國基本風(fēng)速ν0的關(guān)系為v＝1.31ν0。那么最終美標(biāo)基本風(fēng)速v＝（1.31×1.42）ν0＝1.86ν0，可見對于風(fēng)險等級為Ⅲ類建筑物，美標(biāo)基本風(fēng)速為中標(biāo)基本風(fēng)速值的1.86倍，對于其他風(fēng)險類別的建（構(gòu)）筑物，此值在變化［2］。

3 基本風(fēng)壓參數(shù)

3.1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度增加而增大。風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度［3］。在這一點上，中標(biāo)和美標(biāo)一樣。中美標(biāo)準(zhǔn)分別采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz 和風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz來體現(xiàn)風(fēng)壓變化，其實就是體現(xiàn)在不同粗糙度地面風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律。中標(biāo)地面粗糙度分為A、B、C、D 四類，美標(biāo)地面粗糙度分為B、C、D 三類。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，中美標(biāo)準(zhǔn)地形類別的劃分存在大致的對應(yīng)關(guān)系見表4［4］。

表4 中美標(biāo)準(zhǔn)地形類別對比

為便于應(yīng)用，中標(biāo)風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值列于GB 50009—2012表8.2.1，可直接查閱。已知α為指數(shù)，zg為大氣邊界層高度，美標(biāo)風(fēng)壓暴露系數(shù)Kz可按下式確定：

當(dāng)4.572 m（15ft）≤z≤zg時，Kz＝2.01（z／zg）2／α

當(dāng)z＜4.572 m（15ft）時，Kz＝2.01（4.572（15）／zg）2／α

美標(biāo)指數(shù)α，大氣邊界層高度zg取值見表5。

表5 美標(biāo)指數(shù)α、大氣邊界層高度zg取值

從GB 5009—2012 表8.2.1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)列表看出，同一地形類別中美梯度風(fēng)高度是不同的。中標(biāo)A 類地形的梯度風(fēng)高度為300m，B、C、D類梯度風(fēng)高度分別為350、450、550m；而美標(biāo)B 類地形的梯度風(fēng)高度為365.76 m，C、D 類分別為274.32、213.36m。對中標(biāo)地形類別B，100m 處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μ100為2.00，而10m 處μ10為1.0，二者比值為2；對美標(biāo)地形類別C，100m 處風(fēng)壓暴露系數(shù)K100為1.62，而10m 處K10為1.0，二者比值為1.62。同一地形類別中，中標(biāo)不同高度處風(fēng)壓高度變化系數(shù)與10m 處風(fēng)壓高度變化系數(shù)的比值要高于美標(biāo)，也就是說，中標(biāo)風(fēng)速隨高度的變化要快于美標(biāo)，主要是由于梯度風(fēng)高度和指數(shù)不同造成的。

3.2 體型系數(shù)

中標(biāo)GB 50009—2012對于風(fēng)荷載體型系數(shù)μs的計算見參考文獻(xiàn)［1］。與中標(biāo)風(fēng)荷載體型系數(shù)對應(yīng)的是美標(biāo)壓力系數(shù)Cp，在美標(biāo)ASCE 7－10 中表27.4－1中給出常規(guī)矩形不同屋面形式建筑物的壓力系數(shù)。對于常規(guī)矩形建筑，與中標(biāo)不同的是，不論多高，背風(fēng)面的壓力系數(shù)均與建筑長寬比有關(guān)，見表6，表中L為建筑物平行于風(fēng)向尺寸，B為建筑物垂直于風(fēng)向尺寸。

表6 美標(biāo)墻壓力系數(shù)Cp

3.3 風(fēng)振系數(shù)

美標(biāo)剛性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)G 取0.85或根據(jù)公式G＝0.925［（1＋1.7gQIzQ）／（1＋1.7gvIz）］，柔性或動力敏感結(jié)構(gòu)陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)Gf＝0.925｛［1＋式中：Iz為z 高度處的紊流強度；Q為背景響應(yīng)系數(shù)；R為共振響應(yīng)系數(shù)；gQ、gR、gv為規(guī)范取值系數(shù)。美標(biāo)將基本自振頻率小于1 Hz的細(xì)長建筑物或其他構(gòu)筑物定義為柔性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)滿足以下條件：平均屋面高度h不大于18m；h 不超過最小的水平尺寸。美標(biāo)計算陣風(fēng)效應(yīng)Gf時，并沒有分段計算，而是采用結(jié)構(gòu)相當(dāng)高度0.6 h 處的Gf來作為整個結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)系數(shù)。中標(biāo)GB 50009—2012對于風(fēng)振系數(shù)βz 的計算見參考文獻(xiàn)［1］。

中美標(biāo)風(fēng)動力系數(shù)雖然公式不同，但均考慮了地形類別、背景分量以及共振分量等因素。從公式中可以看出，中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)永遠(yuǎn)大于1，而美標(biāo)則可能小于1。

4 算例

算例1：某封閉建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。平面尺寸為20m×20m，總高度為14m。共4層，頂層層高4m，其余3層層高3.33m。位于美標(biāo)地形類別為C類，風(fēng)險等級為Ⅱ級，相應(yīng)700年一遇基本風(fēng)速為49m／s。對應(yīng)中標(biāo)的粗糙度類別B類，基本風(fēng)速為28.2m／s。中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)βz＝1.0，美標(biāo)的陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)G 可取0.85。為便于計算，將總高14m 分為兩段，下部10 m及上部4m?；谥忻罉?biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計算結(jié)果對比見表7，表中S為迎風(fēng)面積。

表7 中美風(fēng)荷載計算結(jié)果對比

算例2：某鋼結(jié)構(gòu)框架，設(shè)鋼支撐，螺栓連接，金屬墻板封閉。平面尺寸為30 m×30 m，層高3.33 m，共30層，總高度為100m。美標(biāo)參數(shù)：地形類別為C類，風(fēng)險類別為Ⅲ類，相應(yīng)的1 700年一遇基本風(fēng)速為52m／s。對應(yīng)的中標(biāo)參數(shù)：地面粗糙度類別B類，基本風(fēng)速為28 m／s，考慮1.1倍后基本風(fēng)壓ω0＝0.54kN／m2。結(jié)構(gòu)的基本自振周期3.75s，第一振型自振頻率為0.3 Hz?；谥袠?biāo)GB 50009—2012與美標(biāo)ASCE 7－10分別計算風(fēng)荷載，根據(jù)計算結(jié)果中美標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)面墻風(fēng)壓對比見圖1，背風(fēng)面墻風(fēng)壓對比見圖2，中美標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)的動力系數(shù)對比見圖3，分段點風(fēng)載對比見圖4。本例剛度、質(zhì)量沿高度均勻分布，為便于對比，圖中均取為10m 一段。

圖1 中美標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)面墻風(fēng)壓對比

5 結(jié)論

a.同一場地，中美標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速數(shù)值不同，因為中美基本風(fēng)速時距及重現(xiàn)期不同。中標(biāo)基本風(fēng)速時距為10min，而美標(biāo)時距為3s。中標(biāo)基本風(fēng)速重現(xiàn)期取50年，而美標(biāo)重現(xiàn)期根據(jù)建筑風(fēng)險等級不同取值不同。

圖2 中美標(biāo)準(zhǔn)背風(fēng)面墻風(fēng)壓對比

圖3 中美標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)的動力系數(shù)對比

b.對于常規(guī)矩形截面建筑，中美標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載體型系數(shù)相近，而同一場地風(fēng)壓高度變化系數(shù)中標(biāo)變化幅度要大于美標(biāo)。

c.建筑背風(fēng)面的風(fēng)壓美標(biāo)顯著高于中標(biāo)，因為美標(biāo)對于背風(fēng)面全部高度均取屋面高度處風(fēng)壓。

d.中美標(biāo)準(zhǔn)確定剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)時限制條件不同。動力系數(shù)中標(biāo)高于美標(biāo)，隨高度增加，差距加大。美標(biāo)陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)取相當(dāng)高度0.6 h處的值進(jìn)行計算。

e.無論是剛性建筑，還是風(fēng)敏柔性建筑，美標(biāo)風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值均高于中標(biāo)風(fēng)載，比值在1.6以上，差值較大，設(shè)計時應(yīng)注意。

圖4 中美標(biāo)準(zhǔn)分段點風(fēng)載對比

f.雖然美標(biāo)風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值高于中標(biāo)風(fēng)載，但不可簡單認(rèn)為美標(biāo)安全度高于中標(biāo)。承載力極限狀態(tài)設(shè)計時中標(biāo)風(fēng)載分項系數(shù)1.4，美標(biāo)為1.0；另外還需對比抗力方面要求。

［1］劉天英，丁雪濤，張之川.中俄標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載計算比較［J］.吉林電力，2015，43（4）：5－8.

［2］劉天英，齊秋平.中外規(guī)范基本風(fēng)速對比分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2012，27（12）：57－59.

［3］黃本才.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2001.

［4］侯建國，羅雯等.中美規(guī)范風(fēng)載設(shè)計規(guī)定的比較［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2014，47（增刊）：43－52.