基于高层建筑主体结构的中美风荷载计算分析对比

刘敏，孙义刚，陈娟辉

(邵阳学院 城市建设系，湖南 邵阳，422000 )



基于高层建筑主体结构的中美风荷载计算分析对比

刘敏，孙义刚，陈娟辉

(邵阳学院 城市建设系，湖南 邵阳，422000 )

基于中美两国荷载规范，采用参数对比分析，讨论了二者高层建筑主体结构风荷载值计算的异同。分析了基本风速、风振系数、风载体型系数以及风压高度变化系数等参数的取值差异和原因。在此基础上，分别运用中美规范计算了某高层结构的风荷载标准值，结果表明，按美国规程计算的风荷载标准值大于按中国规范计算的值，但随着高度的增加差距逐渐缩小。

荷载规范；参数对比；风荷载；风振系数；风压高度变化系数

随着工程结构朝高、柔、大跨方向发展， 风荷载逐渐成为重要设计荷载之一。风荷载规范作为各国工程设计的重要依据，如何深入了解并正确运用，尤其是涉及境外工程设计时，是设计人员关注的重点。风荷载标准值由多个参数决定，因此，本文以中国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)与美国规范《Minimum Design Loads for Building and Other Structure》(ASCE/SEI7-05)为研究对象，采用参数对比分析法，探讨了中美规范对主体结构风荷载计算的异同，以期为结构设计提供参考。

1 基本原理及计算公式

1.1 基本原理

风荷载是空气流动对工程结构产生的压力，由平均成分和脉动成分组成，其中脉动部分会引起结构的振动，产生动态作用。结构自振周期、高度及阻尼特性等都会影响此动态作用，故需按随机振动理论进行分析计算。据结构动力学原理，某阶振型惯性力即为该阶振型等效静力荷载，故可采用等效静力荷载法计算作用于结构上的风荷载。由于高层建筑、高耸结构等悬臂型结构抗风分析中第一振型起着决定性作用，因此只需求出平均风荷载和脉动风下第一振型等效静力荷载再进行叠加即可，常用平均风荷载乘以等效静态放大系数的表达形式。我国规范中的等效静态放大系数即风振系数βz，对应美国规范中的阵风影响系数G和Gf，以考虑结构在风动力作用下的综合响应。

1.2 计算公式

中国规范对垂直于建筑物主要受力结构表面上的风荷载标准值计算为[1]：

ωk=βzμsμzω0

(1)

式中：ω0为基本风压；βz为高度Z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数。

美国规范计算风荷载时，由内、外压力的代数和确定，基本公式可归纳为：

p=qGCp-qiGCpi，

(2)

式中：q、qi分别为结构外部与内部的风速压力；qz、qh分别为地面以上高度z处和平均屋面高度处的风速压力；G为阵风影响系数；Cp、Cpi分别为结构外部和内部的风压系数[2]。

由上可知，中美规范风荷载计算原理类似，却也存在明显差异，首先美国规范考虑了结构内压的影响而中国规范没有；其次中国规范风荷载值不论正负压均与计算点高度有关，而美国规范在计算建筑物背风面负压时，则取决于建筑自身高度。

2 基本风压和基本风速

2.1 基本风速

基本风速是结构抗风设计的重要参数，主要由六个因素决定。1)地貌类别。地表越粗糙，风能损耗越大，平均风速越小[3]。中美规范均以空旷平坦的场地为标准地貌，分别对应国标的B类和美标的C类。2)离地高度。在大气边界层内，离地越高，受地表摩擦越小，风速越大。国标取10米作为标准高度，美标则取33ft(相当于10米)。3)平均风时距。时距越短，风的脉动特性越突出，最大风速值越大。国标时距取值为10min,而美标则取3s时距的阵风风速。4)最大风速样本。由于一年为一个自然周期，国标与美标均取一年中的最大平均风速作为一个数理统计的样本。5)重现期。工程中取大于年最大风速平均值的某一风速作为设计的依据，从概率角度分析，在间隔一定的时间后，会出现设计风速，此间隔期即为重现期[3]。中美规范中均取50年作为最大风速的重现期。6)最大风速概率分布类型。对于年最大风速的概率模拟，通常有极值Ⅰ型分布、极值Ⅱ型分布以及韦布尔分布[4]，中美两国均采用极值Ⅰ型概率分布函数进行统计分析。可见，中、美基本风速取值差异主要体现在平均风时距的取值。表1即为时距t(s)与时距600s的平均风速比值[3]。中美基本风速关系为V美=1.422V中。

表1 Vt/V600比值

t(s)305060010003600比值1.2381.1721.0000.9650.938

2.2 基本风压

据伯努利方程，我国基本风压计算公式为：

(3)

式中：空气密度ρ=1.225kg/m3；v0(m/s)为基本风速。

美标风速压力(对应我国基本风压)计算公式为：

qz=0.00256kzkztkdV2I(1b/ft2)=0.613kzkztkdV2I(N/m2)

(4)

式中：kz为风压高度变化系数；kzt为地形系数；kd为风向系数，仅在荷载组合时考虑；I为结构重要性系数；V为基本风速。

由式(3)与式(4)可知，若不考虑重要性系数、地形系数等参数，中美两国基本风压计算公式基本一致，即两国风荷载取值的差异主要体现在基本风速的定义与取值。通过对比可知，中美基本风压比值约为0.51。

3 重要参数对比

3.1 风振系数和阵风影响系数

风振系数是考虑结构在风动力作用下响应放大的综合系数。

国标规定：对于T<0.25s和H<30m或H/B<1.5的结构，可不计风振影响，取βz=1；而自振周期T≥0.25s和高度H>30m且高宽比H/B≥1.5的高耸结构以及大跨屋盖，则应考虑脉动风振的影响，据随机振动理论按式(5)进行计算：

(5)

美标中的阵风影响系数G、Gf对应国标中的βz，其计算按以下规定：

(1)刚性结构简化方法：G=0.85

(2)刚性结构完整分析法：

(6)

(3)柔性或动力敏感结构：

(7)

风速时距越短，阵风特性在平均响应中的影响越明显，均值响应在极值响应中所占的比例就越大。美国规范平均风时距为3s，且考虑了调整系数0.925，故美标的阵风影响系数值小于国标的风振系数值。

3.2 体型系数和风压系数

结构物体型不同，建筑表面风压实际大小和分布亦不同。通常可通过在原型建筑上量测表面压力分布或将其做成一定缩尺比的模型进行风洞试验测得。

国标将风在建筑物表面各测点引起的实际压力(或吸力)与来流风压比值的平均值称为风载体型系数[4]，美标则定义其为风压系数，并通常用阵风影响系数与风压系数的乘积GCp，GCpi来表示建筑体型特性。

中国的风荷载体形系数是通过对各种单体建筑体型进行大量风洞试验，经过数据统计取整数，并参考国外资料整理而成的。美标中的风压系数同样也是建立在风洞试验基础之上[5]。两者最大的区别主要表现在：美标考虑了由于脉动风的影响而引起的建筑物表面风压体型系数的区域分布差异，即将同一受风面分区，分别采用不同的取值，同时还考虑建筑尺度对其的影响。而国标仅对围护结构的局部体型系数做了修改，体现建筑尺度、区域差异，对主体结构并未考虑。显然，美标较国标的取值更趋于实际情况，更为详细准确。

3.3 风压高度变化系数

(8)

(9)

式中：zg=274.32m，α=9.5。

图1 中美规范空旷平坦场地的风压高度变化系数

由图1可知，在相同地貌下，国标规定的风压高度变化系数明显较美标沿高度增长速度快、偏大，这主要是由于二者地貌粗糙度类别参数选择差异而造成。

此外，对特殊地形如山顶、山坡和悬崖等，风吹过山头或穿过峡谷后会出现风速增大，风压与平地上的明显不同，针对此现象，中美两国规范均采取对风压高度变化系数进行修正的办法予以考虑。国标对应修正系数η，美标则为kzt。

4 计算对比

为对比分析，分别采用中美规范对某高层结构进行顺风向风荷载值计算。设结构基本参数为：H=150m、B=25m，ζ1=0.05，T=3s。现按中国标准测得“离地10m高、B类粗糙度的开阔地形，基本风速为v0=22m/s，重现期50年”。取计算点分别为h=20m、50m、100m、150m，参数及风荷载标准值计算结果分别如表2、表3所示。

表2 中美规范参数计算结果

表3 中美风荷载计算值对比

计算结果表明：1.按国标计算的风荷载值沿高度的变化比按美标计算的显著；2.按美标计算的风荷载值明显大于按国标计算的值，且沿结构高度的增加，二者差值减小。

这主要是由于国标中风振系数取值沿结构高度增大而美标中对整个结构取同一值以及两国规范风剖面的差异而造成。

5 结语

本文对中美两国高层建筑主体结构风荷载计算进行了探讨，通过参数对比与算例结果分析，可得以下结论：(1)两国风荷载计算均以随机振动理论为基础，采用风振分析法，基本原理相同(2)美国规范考虑了结构内压的影响而中国规范没有(3)中国规范风荷载值不论正负均与计算点高度有关，而美国规范在计算建筑物背风面负压时，则取决于其自身高度(4)美国规范考虑了风压系数在建筑物表面上的区域分布及建筑尺度差异，而国标对主体结构并未考虑，规定较简单(5)国标中风振系数取值沿结构高度增大而美标对整个结构取同一值且小于国标取值，同时国标风压高度变化系数较美标沿高度变化快且偏大。(6)综合考虑各参数后，按美标计算出来的风荷载标准值大于按国标计算的值，但随着高度的增加差距逐渐缩小。

[1]中国建筑荷载规范(GB5009-2012)[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[2]Minimum Design Loads for Building and Other Structure(ASCE/SEI7-05)[S].American Society of Civil Engineers，2005.

[3]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海：同济大学出版社，1998.

[4]张相庭.结构风工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[5]John D.Holmes.Wind Loading of Structures[M].New York:Taylor&Francis Group,2001.

[6]张军锋，葛耀军，柯世堂.中美日三国规范高层结构风荷载标准值对比[J].湖南大学学报(自然科学版)，2011(10)：18-25.

[7]黄韬颖.中美澳三国风荷载规范的比较[D].北京：北京交通大学，2006.

[8]李峰，魏利金，李超．论述中美风荷载的换算关系[J]．工业建筑，2009,39(9)：114-116.

Comparative study of wind load between Chinese and American standards based on main wind-force resisting system of high-rise buildings

LIU Min， SUN Yigang，CHEN Juanhui

(Department of City Construction,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

Based on the building codes of China and America,the calculation of the value of equivalent wind loads of main wind-force resisting system were studied by the comparison of parameters.The differences and their causes of parameters such as the basic wind velocity,gust factor,shape coefficient and wind pressure height coefficient were discussed.And the wind loads of a tall building have been calculated to illustrate the overall comparison.The results show that the value is larger in American code than that in Chinese,but the gap gradually narrowed as the height increased.

building codes; comparative of parameters; wind loads;gust factor;wind pressure height coefficient

1672-7010(2016)03-0088-05

2016-06-12

湖南省自科基金项目(11JJ5204)作者简介：刘敏(1986-)，女，助教，在读博士，从事结构抗震与抗风研究；E-mail:liumin3830359@163.com

孙义刚(1969-)，男，教授，硕士，从事工程结构研究

TU312.1

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