浅谈建筑结构荷载规范风荷载计算沿革

朱靖

摘 要：根据TJ9-1974、GBJ9-87、GB50009-2001、GB50009-2012版本荷载规范，比较了各规范关于风荷载计算计算的历史变革。主要就GB50009-2012版本荷载规范的风荷载修订要点进行说明，并对荷载规范中风荷载部分修订提出自己的看法。

关键词：风荷载标准值；参数；基本风压

建筑结构荷载规范是进行结构设计的重要参考依据。1974年12月施行的工业于民用建筑结构荷载规范是我国第一本自主编写较为完整的荷载规范。之后又根据我国社会、经济发展情况以及建筑结构技术的发展、历年荷载数据的统计，不断完善修订建筑结构荷载规范。以下就历次版本之间关于风荷载计算部分的差异进行探讨，着重介绍2012版荷载规范的新变化。

1 历次版本风荷载部分修改内容

1.1 《工业与民用建筑结构荷载规范》（TJ9-74）

TJ9-74是以1958年颁布的《荷载暂行规范》（规结1-58）为原本进行修订的。对于风荷载计算部分，主要有以下几点修正：

修改了风荷载取值标准，并补充修正一些地区的取值。规结1-58中，风压是根据解放前和解放初期少量资料确定的。由于站点少、资料年限短，规定的数值可靠性较差，而且对内地留有较大空白区。这次风荷载修订时，对全国除西藏、新疆以外的其他地区均进行了风载情况的大量调查。根据我国几百个气象台站从1951年到1971年二十年来的最大风速资料，进行了重新统计，并参考了部分地区的设计经验，作了全面的修订。对沿海地区的风压作了修正，对西北和西南地区的风压值作了补充。由于资料比以往较全、较准，因此风荷载取值较为符合实际，比旧规范前进了一大步。

关于确定基本风压值的标准也有修改，新规范同旧规范相比有两点变动：

（1）将基本高度由20 米改为10 米；

（2）将60 年一遇重现期、10分钟平均最大风压改为30 年一遇。

改变基本高度的原因是：因为全国气象台站风速仪的高度一般为10 米左右，而一般房屋的高度又在10米或10米以下，因此将基本高度改为10米，使用较为方便，同时也与国际观测标准相一致。

应当指出，由于风速沿高度变化关系在新旧规范之间出入不大，所以基本高度由20 米改为10 米后，只意味着“ 全国基本风压分布图”上的基本风压以降低20 % 的形式作为标准来表达，但对基本风压值本身并无任何改变。

规结1-58中风载体型系数的取值仅有22种，TJ9-74根据实际需要和风洞试验结果，参考国内外资料等，将风载体型系数增加到39种。

规结1-58对于风振作用，仅根据阻尼不同规定了笼统的单一风振系数。由于没有根据不同重要程度、不同动力特性的高耸构筑物加以区别对待，故不甚合理。对此，这次修订规范时，总结了国内有关单位的实测数据和设计经验，参考了国内外资料，通过系统对比计算，按照构筑物的自振周期和结构类型，在新规范中分别确定了各自的风振系数，其值按自振周期从0.25秒至5秒，对钢筋混凝土和砖结构为1.25～1.60，对钢结构为1.25～1.75，从而比旧规范有了改进。

1.2 《建筑结构荷载规范》（GBJ8-87）

相对于《工业与民用建筑结构荷载规范》TJ9-74版规范而言，《建筑结构荷载规范》GBJ8-87规范在风荷载计算部分修订了全国的基本风压取值，修改了结构的风振计算方法。

1.3 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

与之前版本相比，在本规范之后，荷载组合规则摈弃“遇风组合”的概念（具体的在此不做详细介绍）。根据新的观测资料重新对全国各气象台统计了风压，并将风荷载的基本值的重现期由30年一遇改为50年一遇；地面粗糙度增加一种类别；对山区建筑的风压高度变化系数给出考虑地形条件的修正系数；对维护结构构件的风荷载给出专门规定；提出对建筑群体要考虑建筑物相互干扰的影响；对柔性结构增加横风向风振的验算要求。

1.4 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）2006版

本版本是对GB50009-2001的局部修正。

对于计算维护结构时，风压体型系数改为局部风压体型系数；修改了考虑顺风向风振的适用条件：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构。

对于阵风系数，非直接承受风压的屋面、墙面构件取值1.0。对于横风向风振，也作了一定的修改。

1.5 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）

在风荷载计算部分，主要调整了风荷载高度变化系数和山峰地形修正系数；补充完善了风荷载体型系数和局部体型系数，补充了高层建筑群干扰效应系数的取值范围，增加对风洞试验设备和方法要求的规定；修改了顺风向风振系数的计算表达式和计算参数。增加大跨屋盖结构风振计算的原则规定；增加了横风向和扭转风振等效风荷载计算的规定，增加了顺风向风荷载、横风向及扭转风振等效风荷载组合工况的规定；修改了阵风系数的计算公式与表格。

根据新的观测资料，重新统计全国各气象台站的风压，调整了部分城市的基本风压值，绘制了新的全国基本风压图。

增加附录“高层建筑顺风向和横风向风振速度加速度计算”。

不难看出，每一次修订的版本都会根据新的观测结果对前一版本进行修正，按照生产实际的变化，荷载规范也随之发生相应的变化。

2 参考风速和基本风压的历史变迁

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下式计算：

ωk=βzμsμzω0

式中，ωk——风荷载标准值，kN/m2；

ω0——基本风压，kN/m2；

βz——z高度处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

各规范中，上式基本没有变化，主要修改点在于基本风压取值、风振系数、风荷载体型系数和风荷载高度变化系数的变化。

TJ9-74中对于以上几个系数都有一定的修改，前文已经说明，这里就不再赘述。主要介绍TJ9-74规范以后版本的变化。

基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速v0（m/s）为标准，按ω0=确定的风压值。

基本风压的计算方式，没有变化，只是在GB50009-2001规范开始，风荷载的基本值的重现期由30年一遇改为50年一遇。

基本风压的取值主要是通过历年数据的统计结果修正的，随着统计数据的不断更新，基本风压的取值也不断完善，调整的内容也越来越少。

3 《建结构荷载规范》（GB50009-2012）的修订解读

GB50009-2012版本规范在修订过程中，风荷载计算部分主要补充风基本气象数据，从风剖面、体型系数以及风振响应计算等方面，全方位统筹考虑风荷载修订，补充高层、大跨抗风研究新成果。

3.1 荷载规范现状与修订原则

我国风荷载取值水平，低矮建筑与国外基本接近，高层建筑偏小；根据工程建设情况，对于400m以上超高层建筑，规范计算风荷载并不小，国外咨询公司提供的风荷载值有时还会小于规范。

修订原则主要从风剖面、体型系数、风振多因素统筹考虑，综合调整；整体风荷载小幅提高，超高层建筑略有减小。

3.2 基本风压

补充了600多个基本台站1995-2008年极值风速数据，重新统计基本风速，绘制了新的基本风压图。数据显示，少量城市的基本风压有增加，大部分保持不变，统计结果普遍偏小。

图1 新修订的全国基本风压图

3.3 平均风剖面和脉动风剖面

和旧规范相比，风速剖面（风压高度变化系数）作了一些调整：如图2所示。

地面粗糙度类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

旧规范 zG（m） 300 350 400 450

指数a 0.12 0.16 0.22 0.30

新规范 zG（m） 300 350 450 550

指数a 0.12 0.15 0.22 0.30

调整后，梯度风高度的变化的高度变化系数由3.21降低为2.91，下降幅度约为7%；C类和D类由于梯度风高度提高，下降幅度更大。

在阵风系数取值中，A类与B类和原规范大致相当，C类和D类有不同程度的提高。

极值风速压与原规范相比约降低了5%到10%，幕墙以外的维护结构考虑阵风系数后，风荷载值有所提高。

3.4 体型系数和局部体型系数

在屋面体型系数中增加绝对值不小于0.1的注解，以保证有一定下压风压。

当D/B≤1时，高层建筑风力系数由1.3增加到1.4。由于建筑尺度和区域的差异，对局部体型系数进行了修改。计算非直接承受风荷载的围护构件的风荷载时，局部体型系数根据构件的从属面积按规定进行折减。增加了有关内部压力系数的规定。

对于维护结构风荷载的修订，使得直接承受脉动风荷载的围护结构计算的风荷载有所提高，屋面结构提高尤为明显。而非直接承受脉动风荷载的围护结构的计算的风荷载基本保持不变。

3.5 风振响应与等效风荷载计算

在风振系数表达式中，脉动增大系数在原规范（前苏联东欧）为：

新规范表达式为

对于横风向及扭转风振与等效风荷载。高层建筑横风向风振主要由横风向脉动、漩涡脱落和结构的气动反馈引起，其效应对超高层建筑和高耸结构不可忽略，某些超高层建筑甚至起控制作用。对此，新规范中，基于随机振动方法和大量的风洞试验数据，对于矩形截面横风向等效风荷载计算进行了规定，扭转风振等效风荷载也进行了相应的规定。

特别的，对于结构振型系数、横风向及扭转风振的等效风荷载、以及高层建筑顺风向和横风向风振加速度计算，在本规范中以附录的形式进行了进一步的说明。

4 结语

建筑结构荷载规范的制定在满足结构需求的基础上还要考虑社会经济因素的影响，风荷载计算规范的制定更是如此。

建国初期，由于记录数据的缺失以及技术水平的不足，荷载规范的设计更多的偏于经验而没有科学的计算依据。后期的规范根据统计理论和可靠度理论进行的设计满足了当时的建设需要，但对于建筑设计中所遇到的新问题，需要不断的修正改进，因而才会有不断修改的规范。

对于风荷载而言，需要根据不断增加的统计数据以及气候的变化进行相应的修正。同时，对于高层、超高层结构所遇到的风荷载问题需要不断的修正规范以满足要求。

参考文献

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[2] GB50009-2001，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

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