中菲標準順風向風載對比研究

劉天英，段英連，顧赫巍

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021)

菲律賓境內的火電項目建設基本由國內設計公司按照中國標準設計，確認工作由菲律賓本國工程師或聘請發達國家的咨詢工程師來完成。菲律賓工程師不了解中國標準(以下簡稱中標)，中國工程設計人員正好相反，這就阻礙圖紙的確認。菲律賓標準(菲標)大部分源于美國標準，更新速度沒有美標快，兼有自己的特點。

菲律賓項目風載參數一般源于菲標，如果使用不當，會造成設計反復，工期拖延，甚至會引起工程風險。為便于交流并順利執行菲境內項目，需要進一步了解菲標。風載為作用在建(構)筑物上的基本荷載之一，?？刂平?構)筑物的安全。風載進一步細分為順風向風載(平行于風向)、橫風向風載(垂直于風向)和扭轉風載。順風向風載在結構設計中最常遇到，所以有必要對中菲標準順風向風載的計算進行對比，找出差異并研究對結果的影響。

1 順風向風壓

中標GB 50009考慮地面粗糙程度、建(構)筑物的體型和尺寸以及建(構)筑物自身動力特性對風載的影響，給出順風向風載的計算公式。當計算主要受力結構時，順風向荷載標準值如下：

式中：βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；ω0為基本風壓(kN/m2)。按照經典的貝努利公式，經過推導，基本風壓ω0＝ν02/1 600＝ 0.000 625ν02(kN/m2)，其中ν0為基本風速(m/s)。為便于對比，變換一下單位，則ωk＝ 0.625βzμsμzν02(N/m2)。

菲標對于所有高度剛性建筑的主要受力體系設計風壓為：

對于所有高度柔性建筑的主要受力體系設計風壓為：

式中：q為風速壓力，對于迎風面墻q＝qz，按地面以上高度z處的風速壓力計算；對于背風面墻、側墻、屋面q＝qh，按屋面平均高度h處的風速壓力計算；G、Gf為陣風系數；Cp為外部壓力系數；Cpi為內部壓力系數；qi為內壓。為便于對比，不考慮內壓，則菲標公式簡化為p＝qGCp及p＝qGfCp。其中：

式中：V為基本風速(km/h)；Kz為風壓暴露系數；Kzt為特殊地形系數，對于一般地形，取1.0；Kd為方向系數，對于主要抗風體系取0.85；Iw為重要性系數。對于位于一般地區的建筑物，為建立順風向風壓p與基本風速V的關系，進一步推導得出，p＝47.3×10為 6GCPKzKdV2Iw(kN/m2)或p＝ 47.3×10為6GfCPKzKdV2Iw(kN/m2)。將基本風速V單位調整為 m/s，則p＝0.613GCPKzKdV2Iw(N/m2)或p＝0.613GfCPKzKdV2Iw(N/m2)。從中菲標準計算風壓的公式中可以看出，風壓均是在基本風速平方的基礎上乘以一系列系數得到。數值系數有一定的差異，主要是空氣密度取值不同造成。中標公式中沒有重要性系數Iw，但中標規定對于高層建筑、高聳結構以及對風荷載比較敏感的其他結構，基本風壓的取值應適當提高，承載力設計時可按基本風壓的1.1倍采用。中標沒有方向系數概念，其他系數雖然在形式有點區別，但各系數之間有大致的對應關系，詳見表1。

表1 風壓系數對應關系

2 基本風速

從中標基本風壓定義可以推出基本風速V0定義為當地空曠平坦地面(標準中地面粗糙度B類)上10 m高度處50年一遇10 min內的平均最大風速。菲標基本風速V定義與中標不同，為當地空曠平坦地面(標準中地面粗糙度C類)上10 m高度處3 s內的平均最大風速，年超越概率為0.02，也就是平均重現期為50年。

雖然中標和菲標基本風速的時距不同，但可以進行換算。目前不同時距間的基本風速換算是依據美國標準ASCE 7-10規范提供“t秒鐘的平均最大風速與1小時平均風速之比”曲線對不同時距的風速進行相互換算，見圖1。從圖1中可以看出V3/V3600=1.52，V600/V3600=1.07，其中V3為3 s時距風速，V600為10 min時距風速，V3600為1 h時距風速。則求得V600= 1.07V3/1.52=0.70V3?？梢妼τ谕坏貐^，中標的基本風速相當于菲標基本風速值的0.7倍。

圖1 t秒鐘的平均最大風速Vt與1 h平均風速V3600之比

3 基本風壓參數

3.1 重要系數

為了提高安全度，中標規定，僅對于高層、高聳以及風敏結構，其基本風壓可以提高1.1倍。對于其他的結構，沒有要求。菲標則根據結構功能不同將其分為5個使用類別，分別取不同的重要性系數Iw，詳見表2。結構使用類別的詳細描述見表3。

表2 重要性系數

表3 使用類別

3.2 風壓高度變化系數

在大氣邊界層內，風速隨離地面高度增加而增大。風速隨高度增大的規律，主要取決于地面粗糙度。在這一點上，中標和菲標一樣。中菲標準分別采用風壓高度變化系數μz和風壓暴露系數Kz來體現風壓變化，其實就是體現在不同粗糙度地面風速隨高度變化的規律。中標地面粗糙度分為A、B、C、D四類，菲標地面粗糙度分為B、C、D三類。根據標準中的描述，中菲標準地形類別的劃分存在大致的對應關系，詳見表4。

表4 中美標準地形類別對比

為便于應用，中標風壓高度變化系數的取值列于GB 50009表8.2.1，可直接查閱。菲標將150 m以下風壓暴露系數Kz給出，詳見表6。表中情況1用構件和圍護以及低矮建筑主要抗風體系，情況2用于柔性結構主要抗風體系。表6中的值適用于150 m以下情況，菲標中風壓暴露系數Kz也可按下式計算確定：

式中：α為指數；zg為大氣邊界層高度(m)，見表5。

表5 指數α、大氣邊界層高度zg取值

表6 風壓暴露系數Kz

從風壓高度變化系數的列表中，同一地形類別，中菲梯度風高度是不同的?？梢钥闯鲋袠薃類地形的梯度風高度為300 m，B、C、D類梯度風高度分別為350 m、450 m、550 m。而菲標B類地形的梯度風高度為365 m，C、D類275 m、215 m。對中標地形類別B，100 m處風壓高度變化系數μz,100為2.00，而10 m處μz,100為1.0，二者比值為2。對菲標地形類別C，100 m處風壓暴露系數K100為1.62，而10 m處K10為1.0，二者比值為1.62。同一地形類別中，中標不同高度處風壓高度變化系數與10 m處風壓高度變化系數的比值要高于菲標。也就是說，中標風速隨高度的變化要快于美標，主要是由于梯度風高度和指數不同造成。

3.3 體型系數

風荷載體型系數是用來反映作用在建筑表面上實際壓力與速度壓的比值關系，該系數通過風洞試驗或在建筑物實測得到，也有國家稱為壓力系數、力系數、氣體力學系數等。該系數主要與建筑物的體型和尺寸有關，因此中國標準稱為風荷載體型系數，實際就是面上的加權平均壓力系數。中標表8.3.1中詳細列出不同類型的建筑物和各類結構體型及其體型系數μs。對于小于45 m常規矩形截面建筑物的體型系數，迎風面為＋0.8，為壓力，背風面－0.5，為吸力。對于超過45 m的矩形截面建筑物體型系數，還與矩形的長寬比有關。

與中標風荷載體型系數對應的是菲標壓力系數Cp，在菲標NSCP C101中圖207-6中給出常規矩形不同屋面形式建筑物的壓力系數。對于常規矩形建筑，與中標不同的是，不論多高，背風面的壓力系數均與建筑長寬比有關，詳見表7。

表7 墻壓力系數Cp

3.4 風振系數

中標規定以下情況考慮風振系數：對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響。對于一般豎向懸臂型結構，例如高層建筑和構架、塔架、煙囪等高聳結構，均可僅考慮第一振型的影響。z高度處的風振系數

式中：g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高度名義湍流強度，對應A、B、C和D類地面粗糙度，分別取0.12、0.14、0.23和0.39；R為脈動風荷載的共振分量因子；Bz為脈動風荷載的背景分量因子。風振系數的計算按中標第8.4節的相關規定進行，不再贅述。菲標剛性結構陣風效應系數G取0.85或根據公式

式中：Iz為z高度處的紊流強度；Q為背景響應系數；R為共振響應系數；gQ、gR、gV為規范取值系數。菲標將基本自振頻率小于1 Hz的細長建筑物定義為柔性結構，剛性結構滿足以下條件：平均屋面高度h小于或等于18 m；平均屋面高度h不超過最小的水平尺寸。菲標計算陣風效應Gf時，并沒有分段計算，而是采用結構相當高度0.6 h處的Gf來作為整個結構的陣風系數。中菲標風動力系數雖然公式不同，但均考慮了地形類別、背景分量以及共振分量等因素。從公式中可以看出，中標風振系數永遠大于1，而菲標陣風效應效數則可能小于1。

4 算例

算例一某封閉建筑，鋼筋混凝土框架結構。平面尺寸為20 m×20 m，總高度為14。共4層，下部3層層高3.33 m，頂層層高4 m。位于菲標地形類別為C類，風壓分區2區，基本風速為200 km/h。使用類別為Ⅳ類，重要性系數Iw為1.0。相應中標的粗糙度類別B類，基本風速為39 m/s。根據相關條款，中標風振系數βz＝1.0，菲標的陣風效應系數G可取0.85。為便于計算，將總高14 m分為兩段，下部10 m及上部4 m?；谥蟹茦藴实娘L荷載計算對比詳見表8，計算過程略。

表8 中菲風荷載計算對比

算例二某鋼支撐框架結構，金屬墻板封閉。平面尺寸為30 m×30 m，層高3.33 m，共30層，總高度為100 m。菲標參數：地形類別為C類，風壓分區2區，基本風速為200 km/h。使用類別為Ⅲ類，重要性系數Iw為1.15。相應的中標參數：地面粗糙度類別B類，基本風速為39 m/s，考慮1.1倍后基本風壓ω0＝1.05 kN/m2。結構的基本自振周期3.75 s，第一振型自振頻率為0.3 Hz?；谥袠薌B 50009的風荷載計算詳見表9，基于菲標NSCP C101的風荷載計算詳見表10，本例剛度、質量沿高度均勻分布，計算過程略。為便于對比，圖中均取為10 m一段。

根據表9及表10，中菲標準迎風面墻風壓對比詳見圖2，背風面墻風壓對比詳見圖3。中菲標準風的動力系數對比詳見圖4，分段點風載對比詳見圖5。

表9 中標風荷載計算

表10 菲標風荷載計算

圖2 中菲迎風面墻風壓對比

圖3 中菲背風面墻風壓對比

圖4 中菲風的動力系數對比　

圖5 中菲分段點風載對比

5 結語

根據文中對比研究，得出如下結論。

(1)同一場地，中菲標準基本風速數值不同，因為中菲基本風速時距不同。中標基本風速時距為10 min，而菲標時距為3s。

(2)對于常規矩形截面建筑，中菲標準的風載體型系數相近，而同一場地風壓高度變化系數中標變化幅度要大于菲標。

(3)建筑背風面的風壓菲標沿高度為一直線，因為菲標對于背風面全部高度均取屋面高度處風壓。

(4)中菲標準確定剛柔結構時限制條件不同。動力系數中標高于菲標，隨高度增加，差距加大。菲標陣風效應系數取相當高度0.6h處的值進行計算，沿高度方向也呈一直線。

(5)同一場地無論剛性建筑還是柔性建筑，基于菲標的風載基底剪力要高于基于中標的風載基底剪力。對于柔性建筑，從地面起菲標的風載要高于中標，隨著高度增加，中菲風載間差距在減小，主要原因是風載動力系數及風壓高度變化系數菲標隨高度增加速度比中標慢。當建筑達到一定高度時，在某個高度中標風載可能超過菲標。

(6)當進行承載力極限狀態設計時，中標風載分項系數1.4，菲標為1.6。從荷載上看，菲標要高于中標，但不可簡單認為菲標安全度高于中標，因為抗力方面也存在差異，需進一步對比。

(7)通過對比，使設計人員正確使用菲境內項目風載參數，降低關于風載方面的工程風險并順利執行項目。

參考文獻:

[1] GB 50009－2012，建筑結構荷載規范[S]．

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[4] 劉天英，齊秋平．中外規范基本風速對比分析[J]．鋼結構，2012，27(12)．