劉天英，李曉俊，宋大偉

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著國際業(yè)務的拓展，國內工程公司開始在巴西執(zhí)行項目，風荷載參數(shù)源自巴西標準，巴西業(yè)主工程師參與項目。巴西工程師熟悉巴西標準，不了解中國標準(以下簡稱中標)，中國工程設計人員不熟悉巴西標準(以下簡稱巴標)，這就阻礙了圖紙的確認。為便于交流并順利執(zhí)行項目，有必要了解巴標。風荷載是作用在建(構)筑物上的基本荷載，常對建(構)筑物的安全起控制作用。風荷載又可進一步細分為順風向風荷載(平行于風向)、橫風向風荷載(垂直于風向)和扭轉風荷載，順風向風荷載在結構設計中常遇到，本文重點對中標和巴標順風向風荷載計算進行對比。

1 順風向風壓

巴標NBR 6123—1988《結構風力》對矩形建筑，當I2/h或I2/I1大于4時，風荷載計算時需要考慮風摩擦力，I2為平行于風向建筑橫截面邊長，I1為垂直于風向建筑橫截面邊長，h為建筑高度。為便于與中標GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》對比，不考慮建筑內壓及風摩擦力，僅對比外部壓力。

NBR 6123—1988給出2個公式計算建(構)筑物的順風向風荷載。當不考慮風湍流效應時，作用在結構上風力F為:

式中:Ce為外部體型系數(shù);Ca為阻力系數(shù)，取值詳見NBR 6123—1988;A為結構面積;q(z)為設計風壓。

式中Vk為不同高度的特征風速。

式中:S1為山形系數(shù);S2為地形、高度和結構尺寸系數(shù);S3為統(tǒng)計系數(shù);V0為基本風速。對于平坦地區(qū)，S1取1.0，將建筑分為5組，不同類別S3取不同值，標準組別為2組(使用壽命50年)，見表1。

當?shù)匦纹教箷r，對于使用壽命為50年的建筑，風力公式為:

當考慮風的湍流效應時，作用在結構上的風力F為:

式中:G為動力系數(shù);S2為風壓高度變化系數(shù);Vp為設計風速。

表1 巴標統(tǒng)計系數(shù)S3最小值

中國標準 GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》對于順風向風載荷的計算見參考文獻［1］。

巴標外部體型系數(shù)Ce與中標體型系數(shù)μs意義相同，阻力系數(shù)Ca為體型系數(shù)矢量和。采用阻力系數(shù)對建筑物整體進行計算時，沒有區(qū)分迎風面和背風面。中標考慮地面粗糙度、建筑體型和尺寸以及建筑自身動力特性對風荷載影響。從中巴標準風壓或風力公式可以看出，前面數(shù)值系數(shù)略有差異，因為空氣密度不同所致，其他系數(shù)之間有大致對應關系，見表2。

表2 中巴風壓系數(shù)對應關系

2 基本風速

中標基本風速v0為當?shù)乜諘缙教沟孛?地面粗糙度B類)上10 m高度處50年一遇10 min內的平均最大風速;巴標基本風速V0定義為平均重現(xiàn)期50年當?shù)乜諘缙教沟孛?地面粗糙度Ⅱ類)上10 m高度處3 s內平均最大風速?？梢姵龝r距外，中國與巴西標準基本風速的定義基本相同。巴西標準以5 m/s為間隔，采用 30、35、40、45、50 m/s等值線將全國劃分為若干區(qū)域。

巴標考慮風湍流效應時，采用設計風速Vp，其定義為當?shù)乜諘缙教沟孛?地面粗糙度Ⅱ類)上10 m高度處50年一遇10 min內的平均最大風速，該定義與中標的基本風速度完全一致。Vp=0.69 V0S1S3，對于平坦地區(qū)，50年壽命期建筑，S1=1.0，S3=1.0，則 Vp=0.69 V0，中標基本風速 v0為巴西基本風速 V0的 0.69 倍［2］。

3 基本風壓系數(shù)

3.1 風壓高度變化系數(shù)

大氣邊界層風速隨離地面高度增加而增大，風速隨高度增大的規(guī)律主要取決于地面粗糙度［3］。中標GB 50009—2012地面粗糙度分為A、B、C、D 4類，采用風壓高度變化系數(shù)μz來體現(xiàn)風壓變化，本質上體現(xiàn)不同粗糙度地面風速隨高度變化規(guī)律。中標風壓高度變化系數(shù)μz隨離地高度及地面粗糙度類別不同取值。A類地面粗糙度梯度風高度為300 m，B、C、D 類地面分別為 350、450、550 m。巴標NBR 6123—1988將地形種類分為Ⅰ～Ⅴ5類。中巴地形類別劃分有大致的對應關系，A對應Ⅰ、B對應Ⅱ和Ⅲ、C對應Ⅳ、D對應Ⅴ。

對于地形不同影響，巴標NBR 6123—1988給出2個系數(shù)S2和S2，當不考慮風湍流效應時采用S2，該系數(shù)不但考慮地形和高度因素，還考慮結構尺寸因素。將結構分為A、B、C 3個等級。A級結構最大的水平或豎直尺寸小于20 m;B級結構前表面最大的水平或豎直尺寸在20～50 m;C級結構前表面最大的水平或豎直尺寸大于50 m。

不同高度Z的系數(shù)S2為:

式中b、Fr、p為參數(shù)，取值見表3。同一地形類別同一高度，從A級到C級，S2值在變小。

表3 b、Fr、p 參數(shù)取值

當考慮風湍流效應時，風壓高度變化系數(shù)S2并沒有考慮結構尺寸影響，僅與地形類別及高度有關，此時S2為:

式中Zr為參考高度，取10 m，參數(shù)b、p取值見表4。

表4 巴標 b、p參數(shù)取值

可以看出，同一地形類別，中標不同高度處風壓高度變化系數(shù)與10 m處風壓高度變化系數(shù)的比值要高于巴標，也就是說，中標風速隨高度的變化要快于巴標。如對地形類別B，100 m處風壓高度變化系數(shù) μz，100為 2.00，10 m 處 μz，10為 1.00，二者比值為2。巴標Ⅱ類地形A結構等級100 m處風壓高度變化系數(shù)為 1.49，10 m 處為 1.00，二者比值為1.49。雖然中巴均采用指數(shù)律來描述風速隨高度的變化規(guī)律，巴標值變化緩慢，中標變化快，由于梯度風高度的不同和指數(shù)的不同造成它們之間的差異。

3.2 體型系數(shù)

中標風荷載體型系數(shù)實際就是面上平均風壓系數(shù)，GB 50009—2012詳細列出不同類型的建(構)筑物體型及其體型系數(shù)μs。對于小于45 m常規(guī)矩形截面建筑物的體型系數(shù)，迎風面為+0.8，背風面為－0.5。對于超過45 m的矩形截面建筑物體型系數(shù)，還與矩形的長寬比有關。迎風面一直為+0.8，但背風面體型系數(shù)隨長寬比D/B變化而變化，寬度B指迎風面的寬度。無論建筑多高，建筑兩側山墻均為－0.7。

巴西標準中矩形建筑根據(jù)高寬比h/d和長寬比a/d的不同體型系數(shù)Ce采用不同值，見表5。一個建筑當其高度不超過2倍平均鄰近建筑高度，鄰近建筑在攻入風方向延伸的最小距離為下列值時，可認為處于高湍流風中。建筑不超過40 m高時，延伸最小距離500 m;不超過55 m高時，延伸最小距離1 000 m;不超過70 m高時，延伸最小距離2 000 m;不超過80 m高時，延伸最小距離3 000 m。對于處于高湍流風中的矩形建筑，背風面墻(0°風時墻D和90°風時墻B)的體型系數(shù)可以采用表5中值的2/3，建筑風壓分區(qū)見圖1。當a/d位于3/2與2之間，線性內插。對于0°風時，A3和B3體型系數(shù)Ce的取值，當a/d=1時，值與A2和B2體型系數(shù)Ce相同;當 a/d≥2 時，Ce=－0.2;當 1＜a/d＜2 時，線性內插。可以看出，其值隨建筑的高寬比以及長寬比的變化而變化，考慮的因素較多，值更加精細。而中標僅當建筑高度大于45 m時，矩形截面建筑體型系數(shù)隨長寬比的變化。

表5 巴標矩形截面建筑體型系數(shù)Ce

圖1 巴標建筑風壓分區(qū)示意

3.3 風振系數(shù)

對于主要受力結構，中標風荷載標準值的表達采用平均風壓乘以風振系數(shù)βz，在一些標準中稱為動力系數(shù)。中標以下情況考慮風振系數(shù)影響:對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響。中標規(guī)定對于一般豎向懸臂型結構，例如高層建筑和構架、塔架、煙囪等高聳結構，均可僅考慮第一振型的影響。這是由于這些建(構)筑物頻譜比較稀疏，第一振型起絕對作用，此時可以僅考慮結構的第一振型。風振系數(shù)的計算見文獻［1］。

巴標規(guī)定建筑基本周期等于或小于1 s時，脈動影響很小，大于1 s周期的建筑，特別弱阻尼結構，在平均風方向能產生相當重要的脈動響應，總的動力響應，等于平均和脈動響應疊加。巴標分兩種情況進行風的動力響應計算，簡化連續(xù)模型和離散模型。簡化連續(xù)模型適用于橫截面不變、質量近似分布均勻的不超過150 m的建筑，在動力響應中只考慮基本振型的貢獻，誤差不超過10%。離散模型的計算見NBR 6123—1988。

簡化連續(xù)模型第一振型位移X和動壓q(z)的表達式分別為:

式中:γ為參數(shù)，見表6;ξ為動力放大系數(shù)。

巴標動壓公式并沒有直接給出風壓高度變化系數(shù)和動力系數(shù)，可令風壓高度變化系數(shù)S2=b2(Z/Zr)2p，則動力系數(shù) G=1+［(h/Zr)p(Z/h)γ(1+2γ)ξ/(1+γ+p)］/［b2(Z/Zr)2p］。動力放大系數(shù) ξ是建筑尺寸、臨界阻尼比 ζ、頻率 f的函數(shù)，可在 NBR 6123—1988中查找。

表6 巴標確定動力效應的參數(shù)

可以看出，中國與巴西標準均考慮了地形類別及結構動力性能的影響，但公式不同。中國與巴西標準考慮第一振型的隨機振動理論推導得出的的順風向動力系數(shù)均是大于1.0。

4 算例

算例1:某封閉建筑，處于低湍流風中，鋼筋混凝土框架結構。平面尺寸為20 m×20 m，總高度為20 m，共6層，每層高約 3.33 m，周期 T 為 0.45 s。該建筑歸于結構等級B級，結構組別為2組。位于平坦地區(qū)，巴標對應的地形類別為Ⅱ類，基本風速為40 m/s。中標的粗糙度類別B類，基本風速為27.6 m/s。中標風振系數(shù)βz=1.0，巴標不考慮風的動力效應。為便于計算，將總高20 m分為2段，下部10 m及上部10 m?；谥邪蜆藴实娘L荷載計算對比見表7。

算例2:某鋼結構框架，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100 m。結構基本自振周期3.75 s，其余條件同算例1。根據(jù)中巴標準的相關條款，需考慮動力效應。中標規(guī)定，對于高層建筑、高聳結構以及對風荷載比較敏感的其他結構，基本風壓的取值應適當提高，承載力設計時可按基本風壓1.1倍采用。中標風壓ω0=0.48 kN/m2，考慮 1.1 倍系數(shù)為 0.53 kN/m2，巴標風壓 q0=0.613 V2p=0.47 kN/m2?；谥邪蜆藴实娘L荷載計算各分段點動力系數(shù)的對比見圖2，各分段點處風荷載值對比見圖3。為便于對比，圖中均取為10 m一段。

表7 中巴風荷載計算對比

圖2 中標與巴標風荷載動力系數(shù)對比

圖3 中標與巴標計算的風荷載對比

5 結論

a.同一場地，中國和巴西標準基本風速數(shù)值不同，因為中標基本風速是基于10 min時距得出，而巴標是基于3 s時距得出。

b.對于常規(guī)矩形截面建筑迎風面和背風面，中標風荷載體型系數(shù)與巴標的體型系數(shù)相近，巴標中無論多高，該系數(shù)均與建筑的長寬比和高寬比有關，而中標僅當建筑高度大于45 m時與長寬比有關。中標建筑側面僅有一個風壓分區(qū)，巴標則分出不同區(qū)，體型系數(shù)取值中標和巴標相差較大。

c.中標地面粗糙度分為 A、B、C、D 4 類，巴標地形類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ5類。大致對應關系為中標A類對應巴西標準Ⅰ類，B類對應Ⅱ、Ⅲ類、C類對應Ⅳ類，D類對應Ⅴ類。

d.巴標規(guī)定基本周期大于1.0 s的結構考慮動力效應;而中標對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結構，要考慮風振系數(shù)。中國和巴西標準的動力系數(shù)都大于1.0。

e.巴標在不考慮風的湍流效應時，采用地形、高度和結構尺寸系數(shù)S2，其值隨高度變化緩慢，而中標風壓高度變化系數(shù)變化快，由于梯度風高度的不同和指數(shù)的不同造成它們之間的差異。

f.對于剛性建筑，基于巴標的風荷載值高于基于中標的風荷載值，因為巴標計算剛性建筑時采用3 s基本風速，該基本風速值大于中標的基本風速值;對于柔性建筑，基于巴標風荷載值高于基于中標風荷載值，隨高度增加差距逐漸加大，主要原因是巴標動力系數(shù)高于中標，而且隨著高度增加差距逐漸加大。