中美规范风荷载比较魏艳写

中美规范风荷载比较魏艳写

魏艳写

中石油华东设计院有限公司北京分公司北京100029

摘要：本文对中国GB50009-2012《建筑结构荷载规范》和美国ASCE/SEI7-05MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures中的风荷载部分进行计算、分析和比较。笔者根据实际工程的设计经验，从基本风速、基本风压定义出发，进行中美风荷载计算的比较，并提出相互换算的方法和工程设计过程中应注意的事项，供设计同行参考。

关键词：基本风压，风速，平均风速时距，风荷载计算

风荷载设计方法通常是先参照某地的基本风速，然后将基本风速换算成基本风压，后根据统计学原理对基本风压进行不同的修正。由于自然环境的不同，世界各国在制定风荷载规范时对风荷载的基本计算参数有着不同的理解。笔者根据实际工程的设计经验，从基本风速、基本风压定义出发，进行中美风荷载计算的比较，并提出相互换算的方法和工程设计过程中应注意的事项，供设计同行参考。

一、基本风压的定义

1、中国规范

中国现行GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[1]定义的基本风压为：“根据当地气象台站历年来的最大风速记录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，地面粗糙度为B，自记10min平均年最大风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速V0，再按贝努利公式ω0=(1/2)ρv02算得到；也可统一按公式ω0=v02/1600(kN/m2)或ω0=0.625v02(N/m2)计算。

中国风荷载标准值公式:

ωK=βZμSμZω0(1-1)

2、美国规范

美国ASCE7—05《MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures》[2]定义的基本风速可以译为：“距地高33ft（10m）,地面粗糙度为C，3s阵风风速,无飓风倾向地区重现期为50年,飓风倾向的地区重现期为500年。”

美国设计风压p（相当中国ωZ)公式:

p=qGCP-qi(GCPi)(1-2)

式中q——速度压力（相当中国的μZω0）；

G——压力系数（相当中国的μS）；

Cp——阵风影响系数（相当中国的βZ）；

qi——速度压力(内部压力测定)；

Cpi——阵风效应系数。

美国速度压力q公式:

qZ=0.00256KZKZtKdV2I(1-3)

式中qZ——高度z处的速度压力；

KZ——速度压力暴露系数（相当中国的μZ）；

Kd——风方向性因素系数；

KZt——地形因素系数；

V——基本风速（相当中国的ν0）；

I——重要性系数。

3、中美规范的相近性

中国规范中的基本风压公式ω0=(1/2)ρv02，是世界上大多数国家通用的。如美国规范中速度压力不考虑速度压力暴露系数KZ，风方向性因素系数Kd等，则有qZ=0.00256V2,其中qZ的单位为lb/ft2(磅/平方英尺)，V的单位为mi/h(英里/小时)，换算成与中国统一的计量单位后,则有qZ=0.613V2，与中国规范的0.625v02基本相等。这就是说:中国和美国规范风荷载取值差异不在风速与风压之间的关系,而是在风速的定义和取值上。

4、中美规范的主要区别

比较中国和美国的基本风速定义可知:影响标准平均风速大小的六个主要因素[3]，中国和美国基本风速定义相同的部分是:标准高度、最大风速的样本、最大风速的重现期、最大风速的线型；而不相同的部分是:地面粗糙度、平均风速时距。

二、基本风速的转换

由上面的分析得出:中国和美国规范中风荷载的取值差异,主要是由基本风速定义不同引起的。所以,作为设计依据首先要对中国和美国的基本风速进行相互转换。

关于地面粗糙度的选取

（1）中国规范

中国的荷载规范中,地面粗糙度可分为A、B、C、D四类[1]:

A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类指田野、乡村、丛木、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类指有密集建筑群的城市市区；

D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

基本风速定义中选用的地面粗糙度为B类。

（2）美国规范

美国的荷载规范中,地面粗糙度可分为B、C、D三类[2]：

B类指代表性地形应在迎风方向距离至少2600ft(792m)或者20倍的建筑物高度以远处,两者取其大者。

特殊情况:建筑物的屋顶高度低于或等于30ft时,迎风方向距离可降低到1500ft(457m)。

C类指代表性地形适应于除B类和D类以外的所有情况。

D类指代表性地形应在迎风方向距离大于5000ft（1524m)或者20倍的建筑物高度以远处,两者取其大者。D类还包括地面粗糙度B类和C类中顺风方向距离为600ft（182m)或者20倍的建筑物高度以远处,两者取其大。

（3）中美规范比较

对中国与美国规范中的地面粗糙度类别进行了比较，如表2-1所示。

三、工程应用实例

现以笔者已设计完成项目为例，对中美两国规范风荷载的计算进行分析比较。在伊拉克KARBALA炼厂工程设计中，国外业主提供的原始资料：风速按美国标准(离地高度10m，3s阵风，50年重现期，地面粗糙度为C类)，基本风速为100mph。

由于进行结构设计时需要采用中国规范及结构计算软件,计算时需要输入基本风压ω0。而得到的基本风速数据是按美国规范测得的,所以需要将基本风速数据换算成中国规范定义的基本风速。

V美=100mph=44.7m/s

ω0美=V美2/1600=1.25kN/m2

V中=0.7V美=31.3m/s

ω0中=V中2/1600=0.61kN/m2

这个结果也得到业主聘请的结构专家的认可。

虽然在风荷载设计原理与设计方法上，中国规范与美国规范基本相同。但由于对基本风速的定义和测量取值方法的不同，从而导致了中国和美国在风荷载上取值的差异。通过前面的分析得知：在同一地区分别使用中国规范和美国规范所获得的基本风压,大约相差了2倍。

上述是笔者结合工程设计,对中国和美国风荷载计算的比较,虽然已在实际工程中采用,但难免存在不足。风荷载本身就受很多因素影响,所以中国和美国的风荷载不可能完全准确地进行相互转换,本文只提出了比较理想情况下的转换关系,仅供参考并欢迎批评指正。

参考文献

[1]GB50009—2012建筑结构荷载规范.

[2]AmericanSocietyofCivilEngineersStandard.ASCE/SEI7-05

MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures.

[3]张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册.上海:同济大学出版社,1990.