中欧规范桥梁结构风荷载计算方法对比研究

徐欣，周国玲

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 前言

近年来，伴随着中国经济的迅猛发展和技术水平的日益提高，中国工程设计单位经常有机会参与到国际工程的建设之中，与此同时，中国规范和国际通用规范之间的差异成为工程设计人员所必须面对和掌握的问题。风荷载在桥梁设计中占据着重要的地位，对大跨径悬索桥、斜拉桥等柔性桥梁影响尤甚，往往还会控制设计，中国学者对中欧规范的风荷载计算方法做过一些对比研究，但均是基于中国GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，将中国现行公路桥梁相关设计规范同欧洲风荷载规范进行对比的少有资料可查。该文主要对JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》和欧洲风荷载规范(EN 1991-1-4: 2005)关于风荷载的计算方法进行对比研究(下文分别简称中国规范和欧洲规范)，并结合工程实例对两种规范的计算结果进行比较。

2 规范比较

2.1 地表类别

根据地面粗糙度不同，中国规范将地表类别分为A、B、C、D共4类，欧洲规范将地表类别分为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共5类。两种规范关于各类地表类别的地表状况描述汇总见表1，通过对比可以发现：中国规范和欧洲规范地表类别存在一一对应关系。

表1 中欧规范地表类别的地表状况描述对比

2.2 基本风速

基本风速是风荷载计算的基础，概括起来，基本风速主要由6个条件来定义，即：标准高度、标准地表类别、最大风速样本、标准重现期、时距以及概率分布类型。中国规范将基本风速定义为“开阔平坦地貌条件下，地面以上10 m高度、重现期100年(即100年超越概率63.2%)、10 min平均的年最大风速”；欧洲规范将基本风速定义为“在平坦开阔的乡村地形以上10 m高度处且考虑高度效应(如有)时，年超越概率为0.02的10 min平均风速”。中欧规范关于基本风速的定义条件汇总于表2。

表2 中欧规范关于基本风速的定义条件

由表2可知：除了重现期不同以外，中欧规范关于基本风速的定义条件均一致，所以在应用中欧规范进行风荷载的计算和比较时，在基本风速方面仅需将规范中给出的特定区域的基本风速按统一的重现期做简单换算即可。

2.3 平均风速剖面

平均风速剖面即平均风速随高度变化的规律。关于平均风速剖面的描述通常有指数律和对数律两种形式，中国规范采用的是指数律形式，而欧洲规范采用的是对数律形式。无论采用哪种形式，平均风速剖面均表征为地表类别和高度的函数，中国规范定义抗风风险系数、地形条件系数、地表类别转换及风速高度修正系数来表征地面以上指定高度处设计基准风速与基本风速的比值，其中地表类别转换及风速高度修正系数相应在欧洲规范中称为粗糙度系数，而抗风风险系数和地形条件系数并未在欧洲规范中找到对应的条文。在不考虑抗风风险区域和地形条件修正的基础上，按中国规范和欧洲规范计算得到的各基准高度处地表类别转换及风速高度修正系数和粗糙度系数比较结果见图1。

图1 中欧规范各基准高度处地表类别转换及风速高度修正系数和粗糙度系数比较结果

由图1可知：两种规范设计基准风速均与地表粗糙度成反比。中国规范A类地表计算结果和欧洲规范Ⅰ类地表计算结果接近，略低于欧洲规范0类地表计算结果-4%～-8%；中国规范B类地表计算结果和欧洲规范Ⅱ类地表计算结果接近；中国规范C类地表计算结果和欧洲规范Ⅲ类地表计算结果在100 m以下接近，100～200 m之间中国规范计算结果增加速度高于欧洲规范，至200 m时，中国规范计算结果比欧洲规范计算结果大8%；中国规范D类地表计算结果和欧洲规范Ⅳ类地表计算结果在100 m以下接近，100～200 m之间中国规范计算结果增加速度高于欧洲规范，至200 m时，中国规范计算结果比欧洲规范计算结果大12%。可以预见按中国规范考虑抗风风险区域和地形条件修正后，中国规范地表类别转换及风速高度修正系数计算结果将接近或较大于欧洲规范计算结果。

应当引起注意的是，针对4种地表类别，中国规范还分别规定了各自的截断高度，对应于A、B、C和D类分别取为5、10、15和20 m，即地表类别转换及风速高度修正系数分别不小于1.08、1.00、0.86和0.69，这在规范中并没有明确说明，仅在地表类别转换及风速高度修正系数的数值表格中给出了具体取值，由图1可以看到，由于截断高度的定义，中国规范各地表类别截断高度以内的地表类别转换及风速高度修正系数计算结果均明显大于欧洲规范计算结果。

2.4 风荷载计算

自然界中的风随时间不断变化，从工程抗风设计的角度考虑，一般将其分解为风速不变的平均风和风速均值为0的脉动风的叠加，由此可以将桥梁结构的风致响应分解为3部分计算，即平均风响应、脉动风背景响应和脉动风共振响应。其中脉动风背景响应为不考虑桥梁结构振动时脉动风荷载引起的结构响应；脉动风共振响应为桥梁结构在脉动风荷载作用下发生共振时的响应。

中国规范将平均风响应和脉动风背景响应两部分合并，将合并后的总响应和平均风响应的比值定义为等效静阵风系数，等效静阵风系数可以通过查表得到，规范中的定义为“考虑紊流强度、脉动空间相关性、加载长度(或高度)和结构构件离地面(或水面)高度等因素的顺风向风荷载加载时的风速比例系数”；中国规范并没有给出脉动风共振响应明确的计算方法，仅提到“结构或构件的某阶振型抖振惯性力荷载，可在获得振型抖振位移的基础上，通过考虑质量分布、振型及频率等因素综合获得”。

相比之下，欧洲规范关于风荷载计算方法的规定更加复杂，而且明确了仅对于固有频率大于5 Hz的结构或构件才可以忽略脉动风共振响应，欧洲规范定义了湍流强度、尺寸系数、动力系数等一系列参数以公式计算的形式给出了结构平均风响应、脉动风背景响应和脉动风共振响应的计算方法，关于中国规范和欧洲规范风荷载计算结果的比较将在下文以算例的形式给出。

3 算例

马普托大桥连接莫桑比克马普托海湾南北两岸，主桥为主跨680 m双塔单跨钢箱梁悬索桥，桥址处的地表类别属于中国规范B类、欧洲规范Ⅱ类，根据抗风专题研究单位的研究成果，桥位区离水面以上10 m高度处100年重现期的10 min平均年最大风速为35.77 m/s。主桥主塔设计采用钢筋混凝土门式塔，塔肢截面为顺桥向7 m×横桥向5 m矩形截面，南岸主塔高135.1 m，北岸主塔高136.1 m。为使比较过程简单明确，分别按中国规范和欧洲规范对南岸主塔在自立状态下的横桥向顺风向风荷载做了计算，同时，为了得到较全面的比较结论，对各类地表类别考虑以及不考虑脉动风共振响应的风荷载均做了比较，比较结果见图2。

由图2可知：中欧规范风荷载均与高度成正比，与地表粗糙度成反比。当不考虑脉动风共振响应时，对应地表类别中国规范风荷载在较低高度处均小于欧洲规范风荷载[对应于Ⅰ类(A类)～Ⅳ类(D类)地表类别最大相对差值分别为-10%、-16%、-26%、-42%]，随着高度的增加，两种规范风荷载趋于接近，至200 m时，中国规范风荷载已超过欧洲规范风荷载[对应于A类(Ⅰ类)～D类(Ⅳ类)地表类别最大相对增量分别为16%、13%、12%、6%]；当欧洲规范风荷载考虑脉动风共振响应时，对应地表类别中国规范风荷载均远小于欧洲规范风荷载[对应于Ⅰ类(A类)～Ⅳ类(D类)地表类别最大相对差值分别为-31%、-34%、-44%、-56%]，对于该文特定算例，南岸主塔在自立状态下基频为0.531 Hz，按欧洲规范计算得到的动荷载系数为1.32。由此可见，对于基频较小的结构或构件，均应当考虑其脉动风共振响应，由于中国规范并没有给出脉动风共振响应明确的计算方法，建议在按中国规范进行风荷载计算时，根据结构或构件的基频结合风洞试验或参考其他规范适当考虑该部分荷载。

图2 中欧规范各地表类别风荷载比较结果

4 结论

通过对比中欧规范关于桥梁结构风荷载的计算方法并结合算例分析，得出以下主要结论：

(1)中国规范A～D共4类地表类别和欧洲规范0～Ⅳ共5类地表类别存在一一对应的关系。

(2)中欧规范关于基本风速的定义条件仅重现期不一致，在进行基本风速的计算和比较时，应注意重现期的换算。

(3)中欧规范关于地表类别转换及风速高度修正系数的计算结果接近，差距为-8%～12%，在按中国规范考虑抗风风险区域和地形条件修正后，中国规范地表类别转换及风速高度修正系数计算结果将接近或较大于欧洲规范计算结果。针对4种地表类别，中国规范分别规定了各自的截断高度而未在规范中明确说明，在应用中国规范计算较低高度处的风荷载时应引起注意。

(4)当不考虑脉动风共振响应时，对应地表类别中国规范风荷载在较低高度处均小于欧洲规范风荷载，随着高度的增加，两种规范风荷载趋于接近，至200 m时，中国规范风荷载已超过欧洲规范风荷载。

(5)当欧洲规范风荷载考虑脉动风共振响应时，对应地表类别中国规范风荷载均远小于欧洲规范风荷载，由于中国规范并没有给出脉动风共振响应明确的计算方法，建议在按中国规范进行风荷载计算时，应根据结构或构件的基频结合风洞试验或参考其他规范，适当考虑该部分荷载。