基于中美规范围墙结构风荷载计算对比研究.pdf

江西建材规划设计与建筑1272023年6 月基于中美规范围墙结构风荷载计算对比研究冯丽丽1，卢闰秋21.中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550008；2.南宁市建筑规划设计集团有限公司，广西 南宁 530012摘 要：文中对中美结构荷载规范中风荷载计算以及相关参数取值异同进行了对比，并完成了两国基本风速的转换计算。基于中美规范对中东地区某围墙结构进行风荷载计算，发现按美国规范计算的围墙结构基本风压约为中国规范的1.45 倍，当考虑荷载分项系数时，风荷载引起的效应则进一步放大至约1.55 倍。关键词：美国规范；围墙结构；风荷载；对比研究中图分类号：TU31文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0127-02Comparative Study on Wind Loads Calculation of Boundary Wall Structure Based on Chinese and American CodesFeng Lili1,Lu Runqiu21.China Power Construction Group Guizhou Electric Power Design and Research Institute Co.Ltd.,Guiyang,Guizhou 550008；2.Nanning Architectural and Planning Design Group Co.Ltd.,Nanning,Guangxi 530012Abstract:The paper compares the the wind loads calculation and the values of key parameters between Chinese and American codes.The conversion calculation of basic wind velocities between Chinese and American codes is completed.The wind loads calculation for a boundary wall structure in Saudi Arabia is compared between Chinese and American code.It is found that the basic wind pressure of the boundary wall structure calculated according to the American code is about 1.45 times that of the Chinese code.When the load partial factors are considered,the effect caused by the wind load is further amplified to about 1.55 times.Key words:American codes;Boundary wall structure;Wind loads;Comparative study作者简介：冯丽丽（1991-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，主要研究方向为结构工程设计。0 引言随着“一带一路”倡议的提出，对外承包工程已成为我国企业共建“一带一路”、推动国际基础设施互联互通建设和产能合作的主要方式1。欧美发达国家建筑产业国际化以设计咨询先行，掌握了价值链前端高增值环节的主动权2。中国对外设计咨询业加速走出去势在必行，然而，在欧美设计标准被全球大多数地区直接或间接采纳作为设计规范的背景下，中国设计咨询企业想要走出去，首先，需研究掌握国外设计标准3，这也是习惯于采用中国规范进行设计的国内工程师需重点研究的内容。在海外工业与民用建筑项目中，围墙工程占比不可忽视，而抗风设计是围墙结构设计中的关键一环。中美结构设计规范间由于发展历程与应用环境不同导致差异较大，本文基于中国 GB 500092012 建筑结构荷载规范 （以下简称“中国规范”）和美国 ASCE 7-16建筑物和其他结构最小设计荷载（以下简称“美国规范”），对围墙结构风荷载计算进行了对比研究，为中企同类型境外工程提供参考。1 基本参数比较1.1 风荷载标准值中国规范围墙结构风荷载计算与一般结构相同，按下式计算：wk=z S Z w0 （1）式中，wk为风荷载标准值（kN m-2），z为风振系数，S 为体型系数，Z为风压高度变化系数，w0为基本风压（kN m-2）。美国规范关于独立墙及广告牌等构筑物的风荷载计算与主体结构风荷载计算式不同，其条文29.3 条规定计算式如下：F=qh GCf As （2）为便于对比研究，上式可与中国规范统一为：wk=qh GCf （3）式中，wk为风荷载标准值（kN m-2），qh为速压（m s-1），G为阵风系数，Cf 为与构筑物体型及位置相关的系数。1.2 基本风速与基本速压基本风速或基本风压是衡量风荷载大小的基本参数，伯努利方程给出了基本风压与基本风速的基本关系4：w=1/2v2 （4）式中，w为风压（kN m-2），v为风速（m s-1）。这一公式均为中美规范风压计算的原理公式。中国规范中直接规定了基本风压 w0，美国规范中则规定了基本风速 V，需进一步计算速压。美国规范由基本风速可得基本速压 qz：qz=0.613Kz Kzt Kd Ke V 2 （5）式中，qz为速压（N m-2），Kz为风压高度系数，Kzt为地形系数，Kd为风向系数，Ke为地面海拔系数，V为基本风速（m s-1）。中国规范取当地空旷平坦地面上10 m高度处10 min平均风速，经概率统计得出50年一遇最大值确定基本风速；美国规江西建材规划设计与建筑1282023年6 月范取 C类地貌开敞地面10 m高度处3 s平均阵风风速，经概率统计得出50 年一遇最大值确定基本风速。中美规范基本风速的取值时距不同，美国规范条文中采用了 Durst曲线5描述不同时距下风速转换关系，通过曲线插值可得出V3/V3600=1.525，V600/V3600=1.065，则V3/V600=1.432，其中Vt表示时间段为 t/s时的平均风速。1.3 地形地貌中国规范将地面粗糙度分为 A、B、C、D四类，地面粗糙度依次递增。美国规范暴露类别亦分为 D、B、C、A四类，与中国规范 A、B、C、D基本对应，但02 版以后的规范均删除了A类暴露类别相关参数，而建议由风洞试验确定。1.4 重现期重现期是指大于某一风速出现的间隔周期，根据不同结构设计需要，采取不同的重现期进行设计6。中国规范以50 年重现期定义基本风压，引入重要性系数、分项系数等参数对风荷载进行调整。美国规范05 版以前也是基于50 年重现期确定基本风速，但10 版以后则基于建筑风险类别分别给出基本风速，其重现期分别对应300年、700年、1700年、3000年，无需再考虑重要性系数和风荷载分项系数。基于Peterka等人7的研究成果，美国规范10版中给出了重现期为 T与重现期为50 的风速转换关系：VT/V50=0.36+0.1 ln（12T）（6）1.5 风压高度影响中国规范8.2.1 及美国规范26.10 条均给出了风压高度系数的取值列表，也分别给出了指数形式的补充计算公式，二者计算方法相似，只是由于梯度风高度和地形粗糙度系数取值的大小不同。1.6 风振系数中国规范规定，对于特定条件的结构应考虑风压脉动对产生顺风向风振的影响。对于围墙结构可不考虑风振效应，故取1.0。美国规范对于刚性建筑，阵风影响系数（Gust-Effect Factor）Gf可取0.85 或采用完整分析方法计算。1.7 体型系数中国规范直接给出了独立墙壁及围墙的体型系数 S为1.3。对于独立墙体或独立标识牌等构筑物，美国规范Cf与构件长宽比、高度与离地高度比两个参数相关，可根据相关规定查表取值。2 实例计算2.1 项目基本参数某装配式围墙结构建设地点位于沙特西南部某城市，执行美国规范进行结构设计。项目所在地海拔100 m，围墙高度为地面以上2.4 m，II类风险等级，C类暴露类别，根据当地建设惯常做法考虑每24 m设一道伸缩缝。II类风险等级适用的对应700 年重现期的基本风速为 V=49（m s-1）。2.2 中国规范风荷载计算首先对边界条件进行规范转换。基于本文2.2 节提供的计算式，可将700年重现期对应的风速转换为50年重现期的风速V50=38.78（m s-1），按2.4节提供的计算式，将上述3 m时距取值风速转换为10 min时距取值风速v0=27.08（m s-1），进一步按中国规范附录E计算基本风压w0=0.45（kN m-2），风荷载标准值为：wk=z S Z w0=1.01.31.00.45=0.59 （kN m-2）（7）当仅考虑风荷载作用时，按最新GB 500682018 建筑结构可靠性设计统一标准荷载组合系数取值，风荷载分项系数按1.5 考虑，则按中国规范计算由风荷载设计值为：Swc=Q wk=1.50.59=0.89 （kN m-2）（8）2.3 美国规范风荷载计算根据美国规范表26.10-1，围墙2.4m高度处Kz=0.85；根据美国规范条文26.9，Ke=1.0；项目所建处不存在地形影响，可根据美国规范26.8.2条取Kzt=1.0；根据美国规范表26.6-1，对于围墙等独立墙结构，风向影响系数 Kd=0.85。qh=qz=0.613Kz Kzt Kd Ke V2=1.06（kN m-2）（9）根据美国规范26.11，围墙结构阵风影响系数可取G=1.0；根据美国规范条文26.9，Ke=1.0；根据美国规范图29.3-1，围墙高度与离地高度比s/h=2.4/2.4=1.0，计算宽度取伸缩缝宽度B=20m，则 B/s=24/2.4=10，查表得 Cf=1.30。wk=qh GCf=1.061.01.30=1.378（kN m-2）（10）美国规范的风速取值中已考虑荷载分项系数的影响，即上值可视为风荷载设计值 Swa。2.4 中美规范围墙风荷载计算对比基于上述计算案例比较可知，对于围墙结构，按美国规范与中国规范计算的风荷载设计值之比约为 Swa/Swc=1.55 倍，若不考虑风荷载分项系数影响（中国规范1.5，美国规范此前为1.6），风荷载标准值之比约为1.45 倍。3 结语（1）针对围墙这一细分构筑物，中国规范荷载计算方式与一般结构相同，但美国规范有单列简化的计算公式。两者均考虑了风速、高度、体型、脉动风压等因素的影响。（2）中美规范基本风压、基本风速的取值由于平均风速时距与重现期不同，二者取值差异较大，基于美国规范引用的相关学者基于概率分布模型及实测数据对不同时距、不同重现期的最大风速相关关系等研究成果，本文给出了中美规范基本风速的转换关系。（3）对于围墙结构，中国规范体型系数直接取定值1.30，而美国规范考虑了结构表面体型、竖向位置的影响，是一个介于1.301.80 的值。美国规范考虑脉动风影响的阵风系数取值比中国规范风振系数偏小。（4）基于沙特某围墙案例计算，不考虑荷载分项系数时，美国规范计算风荷载与中国规范相比约为1.45倍，当考虑荷载分项系数时，风荷载引起的效应则进一步放大至约1.55 倍。参考文献 1 王学梅.“一带一路”背景下对外承包工程高质量发展的影响因素分析：基于竞争优势理论J.现代商贸工业，2021，42（8）：55-56.2 陈文健.推动设计咨询企业“走出去”促进我国建筑业国际化高质量发展J.国际工程与劳务，2020（1）：3.3 袁立.对外设计咨询高质量发展：挑战，对策及建议J.国际工程与劳务，2021（4）：23-27.4 张相庭.结构风工程M.北京：中国建筑工业出版社，2006.5 Durst C S.Wind speeds over short periods of timeJ.Meteor.Mag，1960，89（1056）：181-187.6 武岳.风工程与结构抗风设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2014.7 Peterka J A，Shahid S.Design gust wind speeds in the United StatesJ.Journal of Structural Engineering，1998，124（2）：207-214.