中國與阿爾及利亞標準順風向風載作用比較

劉天英，錢永豐，姜 雪

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著國際業務拓展，國內工程公司已經開始在阿爾及利亞執行項目。項目風載參數源自阿爾及利亞標準，阿爾及利亞業主工程師也參與項目。阿爾及利亞業主工程師熟悉阿爾及利亞標準(以下簡稱阿標)，不了解中國標準(以下簡稱中標)，中國工程設計人員不了解阿標，這就阻礙圖紙確認。為便于交流并順利執行項目，有必要了解阿標。風載是作用在建(構)筑物上的基本荷載，常對建(構)筑物的安全起控制作用。風載又可以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，本文重點對比中阿標準順風向風載計算。

1 順風向風載

阿標 D．T．R．C 2-4．7—1999《阿爾及利亞風雪荷載規范》將結構分為2類:類型Ⅰ包括常見建筑物(住宅、行政、學校、衛生、禮拜等建筑)及倉貯建筑(水庫、水塔、貯倉等);類型Ⅱ包括輸電塔、升降機、腳手腳等垂直桁架結構和煙囪等高聳結構。

建筑物標高Zj風壓力標準值qj計算公式，類型Ⅰ結構為:

類型Ⅱ結構為:

式中:qref為參考平均風速壓力;Ce為暴露系數;Cd為動力系數;Cpe為外部壓力系數;Cpi為內部壓力系數;Cfj為總壓力系數。

本文重點討論類型Ⅰ結構的風載計算，類型Ⅱ結構風載計算詳見 D．T．R．C 2-4．7—1999。當建筑d/b≥3或d/h≥3時，要考慮風的摩擦力，d為平行于風向的建筑平面尺寸，b為垂直于風向的建筑平面尺寸，h為建筑高度。為便于與中標比較，對于封閉建筑，不考慮風的摩擦力和內壓，僅對中阿標準的外部壓力進行比較。阿標qref、qj的計算如下。

式中:ρ為空氣密度，取 1．20 kg/m3;Vref為基本風速。

中國標準 GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》對于順風向風載荷的計算見參考文獻［1］。

從中阿標準計算風壓公式中可以看出，風壓均在基本風速平方的基礎上乘以一系列系數得到。由于中阿標準空氣密度取值不同，前面的數值系數差值略有差別。雖然其他的系數在表達形式上有一定區別，但從定義上看中阿標準風載參數之間有大致對應關系，見表 1［2］。

在工程應用中，因風速沿高度變化，將結構沿高度分為若干水平段。對于建筑物，阿標分為2種情況:當建筑高度h≤10 m時，作為一段考慮;當h＞10 m時，根據建筑層數分為多段。結構分段情況見圖1，情況1采用屋頂高度處風載參數計算，情況2每段風載采用其高度處風載參數計算。中標條款中沒有對分段高度做出規定，在工程上一般采用結合建筑層高并不大于10 m作為分段高度。為便于比較，算例中阿標與中標分段原則一致。

表1 中阿標準風載參數對應關系

圖1 阿標結構分段示意

2 基本風速

根據中標基本風壓的定義，可以推出基本風速v0為當地空曠平坦地面(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。阿標基本風速Vref定義與中標基本相同，為年超越概率0．02(平均重現期50年)當地空曠平坦地面(地面粗糙度Ⅰ類)上10 m高度處10 min內的平均最大風速。除地面粗糙度外，中阿標準基本風速的定義基本相同［3］。

阿標根據建筑的使用年限將建筑物分為2類:永久性建筑(使用期超過5年)和臨時性建筑(使用期少于5年)，采用不同的基本風速，臨時性建筑基本風速在永久性建筑的基礎上折減15%。阿標將全國分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個風壓區，各區永久建筑和臨時建筑的基本風速和基本風壓見表2。

3 基本風壓系數

3．1 風壓高度變化系數

大氣邊界層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［4］。中標地面粗糙度分為A、B、C、D 4類，采用風壓高度變化系數μz來體現風壓變化，本質上體現不同粗糙度地面風速隨高度變化規律。在確定城區地面粗糙度類別時，中標以擬建房2 km為半徑的迎風半圓影響范圍內的房屋高度和密集度來區分粗糙度類別，風向原則上以該地區最大風的風向為準，也可以取其主導風向。以半圓影響范圍內建筑物的平均高度ha劃分地面粗糙度類別，ha≥18 m，為D類;9 m＜ha＜18 m，為C類;ha≤9 m，為B類。中標風壓高度變化系數μz隨離地高度及地面粗糙度類別不同取值，詳見GB 50009—2012建筑結構荷載規范。當達到梯度風高度以上時，μz值不再變化。A類地面粗糙度梯度風高度為300 m，對于B、C、D類地面，分別為350 m、450 m、550 m。中標列出550 m以上的風壓高度變化系數，沒有對建筑物的適用高度提出要求。

阿標在應用范圍中規定該標準適用于最大高度200 m的建筑，通過暴露系數ce(Z)體現速度壓隨高度的變化。Z高度處暴露系數為:

式中:Cr(Z)為粗糙系數;Ct(Z)為地形系數;KT為地面系數。對于平坦地區，地形系數Ct(Z)可取1．0。粗糙度系數Cr(Z)取決于結構所處高度及所處位置的地面粗糙度，阿標基于對數風速剖面，Cr(Z)計算式為:

式中:KT為地面系數;Z0為摩擦長度;Zmin為最小高度。

阿標將地形類別分為4類，KT、Z0及Zmin依賴地形類別，相應值見表3。

表3 阿標4類地形KT、Z0、Zmin取值

要想實現標準間參數間的換算和比較，就要找到中國與阿爾及利亞標準地面粗糙度的對應關系，在同一粗糙度條件下進行對比。中標地面粗糙度分為A、B、C、D4類，阿爾及利亞標準分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4類。根據中國與阿爾及利亞標準的描述，地面粗糙度類別的劃分有一定區別，但也有近似對應關系，近似對應關系見表4。

表4 中阿標準地形類別對比表

中標基本風速基于B類地形，阿標基本風速基于Ⅰ類地形。中阿標準地形劃分基于簡單描述，缺乏定量的數據，為保證工程安全，相互轉換過程中要進行一定的處理。從中標表8．2．1來看，10 m高度A類地面基本風壓為1．28倍B類地面基本風壓，則10 m高度A類地面基本風速為1．13倍B類地面基本風速。作為基本風速中阿標準間的轉化，具體設計時可以這樣處理，如果由阿標向中標轉換，直接由阿標的基本風速作為中標的基本風速，這樣偏保守。如果由中標向阿標轉換，中標B類地面基本風速應乘以1．13倍后轉換為A類地面基本風速，再等同于阿標的Ⅰ類地面基本風速。

3．2 體型系數

中標風荷載體型系數實際就是面上平均風壓系數，GB 50009—2012詳細列出不同類型的建(構)筑物體型及其體型系數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，背風面－0．5。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。迎風面一直為+0．8，但背風面體型系數隨長寬比(d/b)變化而變化，寬度b指迎風面的寬度。無論建筑多高，建筑兩側墻均為－0．7。

阿標壓力系數Cp的值與符號由結構的表面位置(前面、后面、側面等)決定，正值表示壓力，負值表示吸力。對于矩形橫截面的建筑，不同位置風壓分區見圖2，圖中參數e取b或2h兩者中的小值。

圖2 阿標結構風壓區

根據表面積大小，阿標定義兩套外部壓力系數。表面積為1．0 m2或更小采用 Cpe，1，表面積為10 m2或更大采用Cpe，10。對于1 m2和10 m2之間表面積，Cpe值通過對數內插決定:

式中S為表面積。通常情況下，Cpe，1用于計算非結構構件及其連接的風載，Ce，10用于計算主要結構體系的風載，Cpe，1和 Cpe，10取值見表 5，中間值進行線性內插。

表5 阿標矩形截面建筑外部壓力系數

3．3 風振系數

中標規定對于高度大于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，采用風振系數法計算順風向風載。風振系數的計算見文獻［1］。

阿標沒有明確考慮風載動力效應的條件，所有結構都要考慮，動力系數Cd由結構的類型(混凝土或鋼結構)、結構高度和寬度決定，該標準考慮作用在結構表面壓力相關缺乏的折減效應以及因為湍流頻率接近結構頻率的放大效應。對于高度200 m以下的一般房屋或煙囪，動力系數Cd可在D．T．R．C 2-4．7—1999中查找，能滿足大部分工程需求。當高寬比很大時，Cd值可采用公式(9)計算:

式中:Zeq為建筑等效高度(m);Iv(Zeq)為等效高度處的湍流強度為脈動風荷載的準靜態因子;為脈動風荷載的共振因子;g為峰值因子。對于一般建筑類，Zeq取0．6h和Zmin的較大值。

可以看出，中標考慮湍流系數以及共振系數的影響，順風向風振系數總是大于1．0。阿標動力系數Cd主要考慮共振的影響，湍流效應在暴露系數Ce(z)中考慮。阿標系數Cd由于考慮結構表面峰值風壓非同時發生的減弱效應，該系數可小于1．0。中標風振系數沿高度方向增大，而阿標在整個結構高度上風載采用一個Cd值計算。

4 算例

算例1:某永久建筑為鋼結構支撐框架，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。地形平坦，阿標基本風速為28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度類別為Ⅱ類，動力系數Cd=1．02。對應中標的粗糙度類別B類，結構基本自振周期3．75 s。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1．1倍采用。中標 ω0=0．49 kN/m2，考慮 1．1 倍系數為0．54 kN/m2。為便于計算，中阿標準結構均采用10 m一段，中標與阿標動力系數對比見圖3，分段點風載對比見圖4。

圖3 中標與阿標動力系數對比

圖4 中標與阿標分段點風載對比

算例2:某封閉永久建筑為鋼筋混凝土框架。平面尺寸為20 m×20 m，共4層，下部3層層高3．33 m，頂層層高4 m，總高度為14 m。地形平坦，阿標基本風速為28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度類別為Ⅱ類，動力系數Cd=0．94。對應中標的粗糙度類別B類，根據相關條款，中標風振系數βz=1．0。為便于計算，中標總高14 m分為兩段，下部10 m及上部4 m。根據阿標計算風載的分段原則，按一段考慮，共14 m高?；谥邪藴实娘L載計算對比見表6。

5 結論

a．除基于的場地類別外，中標基本風速的定義與阿標參考風速基本值定義一致。中標基本風速基于B類地形，阿標基本風速基于Ⅰ類地形，二者不對應。

b．對于常規矩形截面建筑迎風面和背風面，中標風載體型系數與阿標的壓力系數相近，阿標無論多高，該系數均與高寬比無關，而中標建筑高度大于45 m時與長寬比有關。建筑側面中標僅有一個風壓分區，阿標根據建筑長寬比不同分出一到三個區，系數取值中國和阿爾及利亞相差較大。

表6 中阿風荷載計算對比

c．阿標沒有明確考慮風載動力效應的條件，所有結構都要考慮。中標順風向風振系數總是大于1．0，而阿標動力系Cd可小于1．0。中標風振系數沿高度增大，而阿標在整個結構高度上風載采用一個Cd值計算。

d．中標地面粗糙度分為 A、B、C、D 4 類，阿標地形類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4類。大致對應關系為中標A類對應阿標Ⅰ類，B類對應Ⅱ、Ⅲ類，C和D類對應Ⅳ類。這種對應關系建立在粗略和定性基礎上，對應關系不絕對。為降低安全風險，在實際工程中風載計算應以最安全或最保守的地形分類。

e．對于低矮的建筑，阿標的風載高于中標，因阿標暴露系數Ce(Z)考慮湍流強度，其取值顯著高于中標中風壓高度變化系數μz。對于高層建筑，從地面起阿標風載高于中標風載，隨著高度增加，中阿標準風載差距減小，當建筑達到一定高度時，中標風載在某個高度會超過阿標。