中國規(guī)范的風(fēng)荷載安全嗎——結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)知道的風(fēng)速常識之三

先說結(jié)論。雖然各國規(guī)范的基本風(fēng)速的定義不同，但殊途同歸，風(fēng)荷載的最終計算結(jié)果并無本質(zhì)差異。不必?fù)?dān)心中國規(guī)范采用“10min平均最大風(fēng)速”作為基本風(fēng)速，給出的風(fēng)荷載就不安全。而在具體的參數(shù)取值上，各國規(guī)范雖然存在差異，但結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是一個體系，不宜根據(jù)某些參數(shù)的量值大小直接得出“誰安全、誰不安全”的結(jié)論。

接下來我們再來詳細(xì)分析原因。

我們先來了解下各國規(guī)范關(guān)于基本風(fēng)速的定義?；撅L(fēng)速的定義通常包括：地貌類別、觀測高度、風(fēng)速平均時距和重現(xiàn)期這幾個要素，下表對比了這些要素的差異。

從上表的對比可以看到，各國規(guī)范對風(fēng)速測量環(huán)境的要求是一致的，都是空曠平坦地貌10m高度，只是對地貌的分類標(biāo)記有所不同(如B、II或2等)，尤需注意的是美國ASCE定義的B、C、D三類地貌，相當(dāng)于中國的C、B、A，排列順序是相反的。

各國規(guī)范在風(fēng)速時距上則有兩種不同規(guī)定，中國、歐洲和日本采用10min平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速;美國和澳洲則采用3s陣風(fēng)作為基本風(fēng)速。用這兩種不同的基本風(fēng)速，在計算風(fēng)荷載值時會有什么差別呢?我們從中美規(guī)范的風(fēng)荷載計算式中去尋找答案。

1 主要受力結(jié)構(gòu)

中國規(guī)范規(guī)定，對于主要受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值通過下式計算

美國規(guī)范規(guī)定，對于封閉房屋等主要受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載值通過下式計算

公式中的q是3s陣風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)速壓，按下式計算

將兩本規(guī)范中的所有參數(shù)按物理含義的分類，羅列如下：

中美風(fēng)荷載計算公式中，最重要的差別是以下三點：

1) 中國規(guī)范不考慮風(fēng)向折減，在計算主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載時也不考慮內(nèi)部風(fēng)壓;

2) 10m高風(fēng)速壓的定義不同，中國和美國分別采用了平均風(fēng)和陣風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)速壓;

3) 中國的風(fēng)振系數(shù)代表的是基于平均風(fēng)荷載的放大倍數(shù)，而美國的陣風(fēng)效應(yīng)因子則是基于陣風(fēng)荷載的調(diào)整系數(shù)。

除此之外，兩本規(guī)范的其他參數(shù)在物理含義大致匹配，取值差異相對較小。上述第1)點的影響本文暫不討論，第2)、第3)點的區(qū)別則表明：對于主要受力結(jié)構(gòu)，中國規(guī)范的風(fēng)荷載是用平均風(fēng)荷載乘以風(fēng)振系數(shù)βz得到的，美國規(guī)范的風(fēng)荷載則是用陣風(fēng)荷載乘以陣風(fēng)效應(yīng)因子G得到的。

很顯然，對于同樣的設(shè)計條件，陣風(fēng)風(fēng)壓遠(yuǎn)高于平均風(fēng)壓;如果陣風(fēng)效應(yīng)因子的量值和風(fēng)振系數(shù)相當(dāng)，則中國規(guī)范計算的風(fēng)荷載值就可能遠(yuǎn)小于美國規(guī)范。

我們以ASCE給出的高層建筑算例進(jìn)行簡單比較。該建筑高183m，平面尺寸30m*30m，地貌為美國規(guī)范的B類(相當(dāng)于中國的C類)。對于不同的自振頻率和兩種阻尼比(1%和2%)，其陣風(fēng)效應(yīng)因子如下圖所示：

典型高層建筑的陣風(fēng)效應(yīng)因子0

中國規(guī)范風(fēng)振系數(shù)的計算原理與美國不同，得到的風(fēng)振系數(shù)是沿高度變化的。為便于比較，以基底彎矩為等效目標(biāo)(與ASCE的方法相同)，得出了“整體風(fēng)振系數(shù)”的值，如下圖所示。

典型高層建筑的風(fēng)振系數(shù)

對比“陣風(fēng)效應(yīng)因子”和“風(fēng)振系數(shù)”的曲線即可發(fā)現(xiàn)，對于這棟高層建筑來說，風(fēng)振系數(shù)值大約是陣風(fēng)效應(yīng)因子的2倍左右?？梢?，盡管陣風(fēng)荷載遠(yuǎn)高于平均風(fēng)荷載，但與陣風(fēng)荷載配套使用的陣風(fēng)效應(yīng)因子是遠(yuǎn)低于風(fēng)振系數(shù)的。所以中美規(guī)范最終計算得到的結(jié)果不會有本質(zhì)差異。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

中國規(guī)范的圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算公式與主要受力結(jié)構(gòu)大同小異，只是“風(fēng)振系數(shù)”用“陣風(fēng)系數(shù)”代替：

陣風(fēng)系數(shù)是在考慮平均風(fēng)與陣風(fēng)差異后根據(jù)經(jīng)驗公式計算得出的，系數(shù)的大小與地貌和高度有關(guān)，但都遠(yuǎn)大于1.0。

美國規(guī)范計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的表達(dá)式如下

其中的括號表示“陣風(fēng)效應(yīng)因子”與“壓力系數(shù)”應(yīng)當(dāng)看做一個參數(shù)(GCp)，不允許拆分后取值。因此，可以認(rèn)為：對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，中國規(guī)范的風(fēng)荷載是用平均風(fēng)荷載乘以陣風(fēng)系數(shù)βgz得到的，美國規(guī)范的風(fēng)荷載則是直接采用陣風(fēng)荷載。

我們以常見的矩形截面房屋的迎風(fēng)面(暫不考慮內(nèi)部風(fēng)壓)為例做簡單說明：

中國規(guī)范規(guī)定，矩形截面房屋的迎風(fēng)面的體型系數(shù)1.0，據(jù)此得出平均風(fēng)壓，再乘以陣風(fēng)系數(shù)得出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。美國規(guī)范則規(guī)定(見下圖)，矩形截面房屋的迎風(fēng)面的(GCp)=0.9，再乘以3s陣風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)速壓直接得到風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。由于中國的陣風(fēng)系數(shù)遠(yuǎn)大于1.0，所以兩本規(guī)范計算得到的風(fēng)荷載值不會有本質(zhì)差異。

矩形截面房屋的壓力系數(shù)

綜合主要受力結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算公式的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)：采用平均風(fēng)作為基本風(fēng)速的中國規(guī)范，其“風(fēng)振系數(shù)”和“陣風(fēng)系數(shù)”是遠(yuǎn)大于1.0的，其作用是將平均風(fēng)荷載放大;而采用陣風(fēng)作為基本風(fēng)速的美國規(guī)范，其“陣風(fēng)效應(yīng)因子”在1.0左右，其作用是考慮風(fēng)振效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，對陣風(fēng)荷載進(jìn)行調(diào)整。

其實，僅就衡量風(fēng)力強(qiáng)度而言，10min平均最大風(fēng)速是更加一致、穩(wěn)定的指標(biāo);3s最大陣風(fēng)受到測量儀器頻響特性的影響，相對而言不確定性更大，有興趣的讀者可以參閱參考資料6和7。

最后，細(xì)心的讀者可能會注意到基本風(fēng)速對比表中的重現(xiàn)期一欄，美國和澳洲沒有給出具體數(shù)值。這是因為其他規(guī)范對基本風(fēng)速規(guī)定了統(tǒng)一的重現(xiàn)期，再根據(jù)不同的設(shè)計條件，引入重要性系數(shù)、分項系數(shù)等參數(shù)對風(fēng)荷載進(jìn)行調(diào)整;與此不同，美國和澳洲規(guī)范直接根據(jù)不同的設(shè)計條件取不同的重現(xiàn)期，所以基本風(fēng)速有多種重現(xiàn)期、多種取值。

所謂重現(xiàn)期也就是人們常說的“多少年一遇”，那么50年一遇就是“50年遇到一次”么?請繼續(xù)關(guān)注風(fēng)速常識之四。

參考資料

1. GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，2012

2. ASCE/SEI7-16, Minimum Design Loads and Associated Criteria forBuildings and Other Structures，2016

3. EN1991-1-4:2005, Actions on structures, Part 1-4: General action –Wind actions，2005

4. Architectural Institute of Japan, Recommendations for Loads onBuildings，2005

5. AS/NZS1170.2:2011, Structural design actions, Part 2: Windactions，2011

6. Holmes, J. D. & Ginger, J. D. 2012, The gust wind speedduration in AS/NZS 1170.2, Aus. J. Struct. Eng., 13(3), 2012

7. Kwon, D. and Kareem, A., Revisiting Gust Averaging Time and GustEffect Factor in ASCE 7. J. Struct. Eng., 140(11), 2014

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