中美规范风荷载的计算比较

王永华

(新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830001)

随着我院海外事业的大力开展，越来越多的境外项目要求我们按不同的标准进行设计计算，通过笔者对多个国外工程设计中遇到的问题来看，世界各地对基本风速、工程地质等方面的划分标准不尽相同，存在一定的差异性，决不能简单地按我国的设计规范取值标准直接套用，这些问题经常给设计者带来许多困扰。

风荷载设计方法通常是先参照某地的基本风速，然后将基本风速换算成基本风压，最后据统计学原理对基本风压进行不同的修正。由于自然环境的不同，世界各国在制定风荷载规范时对风荷载的基本计算参数有着不同的理解。因世界上大多数欠发达国家都以美国标准为依据，所以笔者根据实际工程的设计经验，从基本风速、基本风压定义出发，进行中美风荷载计算的比较，并提出相互换算的方法和工程设计过程中应注意的事项，供设计同行参考。

1 基本风压的定义

(1)我国现行规范《建筑结构荷载规范》GB 5009-2001(以下简称中国规范)中定义的基本风压为：“根据全国各气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，自记10min平均年最大风速(m/s)。根据风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速V0。再按贝努利公式W0=1/2ρV02确定基本风压。”也可统一按公式W0=V02/1600(kN/m2)或W0=0.625V02(N/m2)计算。

中国风荷载标准值计算公式：

(2)美国现行规范《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(《建筑物和其他结构最小设计荷载》)美标ASCE 7-10(以下简称美国规范)中对风荷载的规定进行了全面改写，并将风荷载的规定由原来的第6章扩充为六个章节(第26章到第31章)，并统一了美国各种结构设计规范的基本设计原则和荷载取值标准及荷载组合原则、荷载分项系数及组合系数的取值规定，因为对基本风速的取值进行了修订，故风荷载系数分项从ASCE 7-05的1.6修订为ASCE 7-10的1.0。其基本风速定义可译为：“离地10m高，地面粗糙度为C，3s阵风风速，无飓风倾向地区重现期50年，飓风倾向地区的重现期500年。”

美国规范设计风压p(相当于中国Wk)公式：

p =qZGCp- q1(GCpi)(N/m2)(对于开敞式结构而言(GCpi)=0)

式中：qz为速度压力(相当于中国的μzW0)；G为阵风影响系数(相当于中国的βz，但取值有所不同)；Cp为风载体型系数(相当于中国规范的μs，但取值略有不同)。美国规范速度压力qz公式：

式中：Kz为风压高度变化系数(相当于中国的μz，但取值略有不同)；Kzt为地形因素系数(对于平地取1.0)；Kd为风方向性因素系数(美国规范规定一般可取0.85～0.95，或按公式计算)；V为基本风速(相当于中国的V0)；

(3)中国规范中的基本风压公式W0=1/2ρV02，是世界上大多数国家都通用的。如美国规范中速度压力计算公式中不考虑风压高度变化系数Kz和风方向性因素系数Kd等，则有qz=0.613V2与中国规范的0.625V02基本相当。这就是说中国和美国规范中荷载计算的差异不在风速和风压转换关系上，而在于风速的定义和取值上。

(4)比较中国和美国的基本风速定义可知：基本风速定义中涉及到离地高度、地面粗糙度、平均时距、荷载重现期等因素。中国和美国规范基本风速定义中相同的部分是：离地高度都是10m；荷载重现期都是50年；而不同的部分是地面粗糙度和平均时距。

2 基本风速的比较与转换

由以上的分析可知：中国和美国规范中风荷载的取值差异，主要是由基本风速定义不同引起的。所以作为设计依据首先要对中国和美国的基本风速进行比较。

2.1 关于地面粗糙度的选取

(1)中国规范中，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B 类指田野、乡村、丛林、丘岭以及房屋比较稀梳的乡镇和城市郊区；

C 类指有密集建筑群的城市市区；

D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

基本风速定义中选用的地面粗糙度为B类。

(2)美国规范中，地面粗糙度可分为B、C、D三类：

B 类指城市及市郊地区、树林地区、或其他具有许多障碍物的地区，该障碍物大小如独户住宅或更大一点，且彼此靠近；

C 类指具有高度小于9.1m的障碍物的开阔地区。这一类别包括平坦、开阔的乡村及草原；

D 类指平原、直接暴露于丛开阔水面上吹来的风的无障碍海岸地区。这一类别包括泥平地、盐碱地和不间断的冰地。

(3)美国规范中根据地面粗糙度又确定了B、C、D三类暴露类别：

暴露类别B：对于屋面平均高度小于等于9.1m的建筑物，暴露类别B适用于地面粗糙度类别为B的地形应在迎风方向大于457m。对于平均屋面高度大于9.1m的建筑物，暴露类别B适用于地面粗糙度类别为B的地形在迎风方向大于792m或建筑物高度的20倍以远处；

暴露类别C：用于暴露类别B或D不适用的所有情况；

暴露类别D：适用于地面粗糙度类别为D的地形在迎风方向大于1524m或建筑物高度的20倍以远处。也适用于在迎风方向先经过之前定义的暴露类别为D的地形，然后建筑物场地附近的地形粗糙度类别为B或C，且该地形在183m内或建筑物高度的20倍以内，取较大值。

(4)对中国和美国规范中的地面粗糙度类别进行对比，见表1。

表1 中美规范中地面粗糙度对比

尽管中美两国规范中对地面粗糙度分类有所不同，但是气象台一般均设立在开阔平坦地区，均取此类地形作为基本风速取值的基准，因此中国和美国规范中地面粗糙度的条件是基本一致的。

2.2 平均风速时距

平均风速时距是指观测和统计风速资料时所规定的时间间隔，一般取该时间间隔的平均最大风速。在同一个气象台，平均时距越小则记录得到的平均最大风速越大，反之亦然。这是导致中国和美国规范中基本风速取值不同的主要原因。

不同时距的基本风速值可按IEC 60826附录图A.7(见图1)所示进行换算。

图1 不同时距风速换算示意

假设在中国规范中地面粗糙度B类地区，设时距为10min的风速为V中，时距为3s的风速为V美，现将V美换算成V中。查图中直线B得3s时距的系数为1.39，即V美=1.39V中。再由基本风压公式W0=1/2ρV02得出：

风压比：W美/W中=V美2/V中2=1.93

由此可知，平均风速时距取值越短，则风压值越大，反之则越小。中国规范中取10min为平均风速时距；但是世界各国各有不同的规定。例如美国取3s，前苏联取3min，欧洲规范取10min，加拿大取60min，日本取瞬时，英国根据建筑物或构件尺寸不同，分别取3s、5s和15s等。因此应用不同国家的设计资料时必须进行风速值的换算，换算系数见表2。

表2 B类地区不同风速时距换算

2.3 不同重现期风压的换算

荷载重现期不同，最大风速的保证率不同，相应的最大风速值也不同。荷载重现期的取值直接影响到结构的安全度，对于风荷载比

较敏感的结构，重要性不同的结构，设计时有可能采用不同重现期的基本风压，以调整结构的安全水准。不同重现期风压间的换算系数可按表3取值。

表3 不同重现期与50年重现期的基本风压换算系数

3 风荷载的计算与比较

现以笔者已设计完成项目为例，对中美两国规范风荷载的计算进行分析比较。在苏丹220kV输电线路工程中，国外业主提供的原始资料：风速按美国标准(离地高度10m，3s阵风，50年重现期，地面粗糙度为C类)，基本风速为47m/s。中国现行《110kV～750kV架空输电线路设计规范》中规定220kV输电线路的荷载取值标准为离地高度10m，10min平均最大风，30年重现期，地面粗糙度为B类。下面以自立式直线铁塔SZ为例进行计算，塔高40m，风压高度取离地20m处(铁塔结构计算时风荷载是主要荷载)。

3.1 按美国规范进行风荷载计算

美国规范速度压力qz计算：

(此处参照《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading》要求，按90度方向风吹，Kd取1.0)

美国规范设计风压p计算：

3.2 按中国规范进行风荷载计算

根据中美风速的换算关系：

WK=βzμsμzW0μt= 1.35×1.3×1.25×0.625×33.82×0.93=1456.7(N/m2)(按30年重现期计算)

3.3 中美风荷载取值的比较

式中：D为恒荷载；W为风荷载；

从两国的荷载组合式中可以看出：恒荷载的取值完全相同，风荷载设计值的取值有区别，美国规范直接取风载标准值，而中国规范取风载标准值×1.4系数。(对相同的挡风面积来说风压比就是风载比)

中国规范风压设计值为：1.4×W=1.4×1456.7=2039.4(N/m2)

美国规范风荷载与中国规范风荷载的比值：K=2650.7/2039.4=1.30

经过以上计算比较后可知，均按现行设计规范要求，对同一铁塔结构，美国规范风荷载值是中国规范风荷载值的1.3倍，如果《110kV～750kV架空输电线路设计规范》中荷载重现期标准提高到50年，则美国规范风荷载值是中国规范风荷载值的1.21倍。按美国规范设计的铁塔结构更加偏于安全。

4 结语

由于对基本风速的定义和测量取值方法的不同，从而导致了中国和美国规范基本风速值大小的差异，也导致了中国和美国风荷载取值的差异。通过上面的计算分析可知：在同一地区采用美国规范所计算所得的基本风压值约为中国规范风压值的2倍，但是通过荷载组合后美国规范风荷载值约为中国规范风荷载值的1.30倍。在进行国外项目设计时，应该搞清楚业主或咨询机构提供的现场最大设计风速的具体含义，如基本风速为3s阵风风速，则采用中国标准设计软件时，需转换为10min平均最大风速，这样的计算结果才会基本合理。

上述的计算比较仅仅是笔者针对输电线路铁塔结构进行的，风荷载的计算受多种因素的影响，如换为其它结构模型，则各项计算系数取值会有所不同，所以最终的计算结果也会有所差异，不同结构型式进行设计计算时需按实际情况进行认真分析，不能一概而论。本文也只是提出了比较理想情况下的风荷载计算比较，供各位设计同仁参考并欢迎提出批评指正。

[1]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[2]ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[3]张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

[4]晋东南～南阳～荆门1000kV输电线路工程杆塔荷载设计研究[R].北京：中国电力顾问集团公司专 题研究报告，2006.

[5]刘迪，李立昌.2010年版美国建(构)筑物荷载规范有关风荷载部分修改简介[J].钢结构，2011，(02).

[6]ASCE 74-2009，Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading[S].

[7]IEC 60826-2003，Design Criteria of Overhead Transmission Lines[S].

[8]GB 50545-2010，110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].