中菲标准顺风向风载对比研究

2018-04-12 03:00刘天英段英连顾赫巍

电力勘测设计 2018年3期

刘天英，段英连，顾赫巍

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林长春 130021)

菲律宾境内的火电项目建设基本由国内设计公司按照中国标准设计，确认工作由菲律宾本国工程师或聘请发达国家的咨询工程师来完成。菲律宾工程师不了解中国标准(以下简称中标)，中国工程设计人员正好相反，这就阻碍图纸的确认。菲律宾标准(菲标)大部分源于美国标准，更新速度没有美标快，兼有自己的特点。

菲律宾项目风载参数一般源于菲标，如果使用不当，会造成设计反复，工期拖延，甚至会引起工程风险。为便于交流并顺利执行菲境内项目，需要进一步了解菲标。风载为作用在建(构)筑物上的基本荷载之一，常控制建(构)筑物的安全。风载进一步细分为顺风向风载(平行于风向)、横风向风载(垂直于风向)和扭转风载。顺风向风载在结构设计中最常遇到，所以有必要对中菲标准顺风向风载的计算进行对比，找出差异并研究对结果的影响。

1 顺风向风压

中标GB 50009考虑地面粗糙程度、建(构)筑物的体型和尺寸以及建(构)筑物自身动力特性对风载的影响，给出顺风向风载的计算公式。当计算主要受力结构时，顺风向荷载标准值如下：

式中：βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压(kN/m2)。按照经典的贝努利公式，经过推导，基本风压ω0＝ν02/1 600＝ 0.000 625ν02(kN/m2)，其中ν0为基本风速(m/s)。为便于对比，变换一下单位，则ωk＝ 0.625βzμsμzν02(N/m2)。

菲标对于所有高度刚性建筑的主要受力体系设计风压为：

对于所有高度柔性建筑的主要受力体系设计风压为：

式中：q为风速压力，对于迎风面墙q＝qz，按地面以上高度z处的风速压力计算；对于背风面墙、侧墙、屋面q＝qh，按屋面平均高度h处的风速压力计算；G、Gf为阵风系数；Cp为外部压力系数；Cpi为内部压力系数；qi为内压。为便于对比，不考虑内压，则菲标公式简化为p＝qGCp及p＝qGfCp。其中：

式中：V为基本风速(km/h)；Kz为风压暴露系数；Kzt为特殊地形系数，对于一般地形，取1.0；Kd为方向系数，对于主要抗风体系取0.85；Iw为重要性系数。对于位于一般地区的建筑物，为建立顺风向风压p与基本风速V的关系，进一步推导得出，p＝47.3×10为 6GCPKzKdV2Iw(kN/m2)或p＝ 47.3×10为6GfCPKzKdV2Iw(kN/m2)。将基本风速V单位调整为 m/s，则p＝0.613GCPKzKdV2Iw(N/m2)或p＝0.613GfCPKzKdV2Iw(N/m2)。从中菲标准计算风压的公式中可以看出，风压均是在基本风速平方的基础上乘以一系列系数得到。数值系数有一定的差异，主要是空气密度取值不同造成。中标公式中没有重要性系数Iw，但中标规定对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压的取值应适当提高，承载力设计时可按基本风压的1.1倍采用。中标没有方向系数概念，其他系数虽然在形式有点区别，但各系数之间有大致的对应关系，详见表1。

表1 风压系数对应关系

2 基本风速

从中标基本风压定义可以推出基本风速V0定义为当地空旷平坦地面(标准中地面粗糙度B类)上10 m高度处50年一遇10 min内的平均最大风速。菲标基本风速V定义与中标不同，为当地空旷平坦地面(标准中地面粗糙度C类)上10 m高度处3 s内的平均最大风速，年超越概率为0.02，也就是平均重现期为50年。

虽然中标和菲标基本风速的时距不同，但可以进行换算。目前不同时距间的基本风速换算是依据美国标准ASCE 7-10规范提供“t秒钟的平均最大风速与1小时平均风速之比”曲线对不同时距的风速进行相互换算，见图1。从图1中可以看出V3/V3600=1.52，V600/V3600=1.07，其中V3为3 s时距风速，V600为10 min时距风速，V3600为1 h时距风速。则求得V600= 1.07V3/1.52=0.70V3。可见对于同一地区，中标的基本风速相当于菲标基本风速值的0.7倍。

图1 t秒钟的平均最大风速Vt与1 h平均风速V3600之比

3 基本风压参数

3.1 重要系数

为了提高安全度，中标规定，仅对于高层、高耸以及风敏结构，其基本风压可以提高1.1倍。对于其他的结构，没有要求。菲标则根据结构功能不同将其分为5个使用类别，分别取不同的重要性系数Iw，详见表2。结构使用类别的详细描述见表3。

表2 重要性系数

表3 使用类别

3.2 风压高度变化系数

在大气边界层内，风速随离地面高度增加而增大。风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度。在这一点上，中标和菲标一样。中菲标准分别采用风压高度变化系数μz和风压暴露系数Kz来体现风压变化，其实就是体现在不同粗糙度地面风速随高度变化的规律。中标地面粗糙度分为A、B、C、D四类，菲标地面粗糙度分为B、C、D三类。根据标准中的描述，中菲标准地形类别的划分存在大致的对应关系，详见表4。

表4 中美标准地形类别对比

为便于应用，中标风压高度变化系数的取值列于GB 50009表8.2.1，可直接查阅。菲标将150 m以下风压暴露系数Kz给出，详见表6。表中情况1用构件和围护以及低矮建筑主要抗风体系，情况2用于柔性结构主要抗风体系。表6中的值适用于150 m以下情况，菲标中风压暴露系数Kz也可按下式计算确定：

式中：α为指数；zg为大气边界层高度(m)，见表5。

表5 指数α、大气边界层高度zg取值

表6 风压暴露系数Kz

从风压高度变化系数的列表中，同一地形类别，中菲梯度风高度是不同的。可以看出中标A类地形的梯度风高度为300 m，B、C、D类梯度风高度分别为350 m、450 m、550 m。而菲标B类地形的梯度风高度为365 m，C、D类275 m、215 m。对中标地形类别B，100 m处风压高度变化系数μz,100为2.00，而10 m处μz,100为1.0，二者比值为2。对菲标地形类别C，100 m处风压暴露系数K100为1.62，而10 m处K10为1.0，二者比值为1.62。同一地形类别中，中标不同高度处风压高度变化系数与10 m处风压高度变化系数的比值要高于菲标。也就是说，中标风速随高度的变化要快于美标，主要是由于梯度风高度和指数不同造成。

3.3 体型系数

风荷载体型系数是用来反映作用在建筑表面上实际压力与速度压的比值关系，该系数通过风洞试验或在建筑物实测得到，也有国家称为压力系数、力系数、气体力学系数等。该系数主要与建筑物的体型和尺寸有关，因此中国标准称为风荷载体型系数，实际就是面上的加权平均压力系数。中标表8.3.1中详细列出不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数μs。对于小于45 m常规矩形截面建筑物的体型系数，迎风面为＋0.8，为压力，背风面－0.5，为吸力。对于超过45 m的矩形截面建筑物体型系数，还与矩形的长宽比有关。

与中标风荷载体型系数对应的是菲标压力系数Cp，在菲标NSCP C101中图207-6中给出常规矩形不同屋面形式建筑物的压力系数。对于常规矩形建筑，与中标不同的是，不论多高，背风面的压力系数均与建筑长宽比有关，详见表7。

表7 墙压力系数Cp

3.4 风振系数

中标规定以下情况考虑风振系数：对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。对于一般竖向悬臂型结构，例如高层建筑和构架、塔架、烟囱等高耸结构，均可仅考虑第一振型的影响。z高度处的风振系数

式中：g为峰值因子，取2.5；I10为10 m高度名义湍流强度，对应A、B、C和D类地面粗糙度，分别取0.12、0.14、0.23和0.39；R为脉动风荷载的共振分量因子；Bz为脉动风荷载的背景分量因子。风振系数的计算按中标第8.4节的相关规定进行，不再赘述。菲标刚性结构阵风效应系数G取0.85或根据公式

式中：Iz为z高度处的紊流强度；Q为背景响应系数；R为共振响应系数；gQ、gR、gV为规范取值系数。菲标将基本自振频率小于1 Hz的细长建筑物定义为柔性结构，刚性结构满足以下条件：平均屋面高度h小于或等于18 m；平均屋面高度h不超过最小的水平尺寸。菲标计算阵风效应Gf时，并没有分段计算，而是采用结构相当高度0.6 h处的Gf来作为整个结构的阵风系数。中菲标风动力系数虽然公式不同，但均考虑了地形类别、背景分量以及共振分量等因素。从公式中可以看出，中标风振系数永远大于1，而菲标阵风效应效数则可能小于1。

4 算例

算例一某封闭建筑，钢筋混凝土框架结构。平面尺寸为20 m×20 m，总高度为14。共4层，下部3层层高3.33 m，顶层层高4 m。位于菲标地形类别为C类，风压分区2区，基本风速为200 km/h。使用类别为Ⅳ类，重要性系数Iw为1.0。相应中标的粗糙度类别B类，基本风速为39 m/s。根据相关条款，中标风振系数βz＝1.0，菲标的阵风效应系数G可取0.85。为便于计算，将总高14 m分为两段，下部10 m及上部4 m。基于中菲标准的风荷载计算对比详见表8，计算过程略。

表8 中菲风荷载计算对比

算例二某钢支撑框架结构，金属墙板封闭。平面尺寸为30 m×30 m，层高3.33 m，共30层，总高度为100 m。菲标参数：地形类别为C类，风压分区2区，基本风速为200 km/h。使用类别为Ⅲ类，重要性系数Iw为1.15。相应的中标参数：地面粗糙度类别B类，基本风速为39 m/s，考虑1.1倍后基本风压ω0＝1.05 kN/m2。结构的基本自振周期3.75 s，第一振型自振频率为0.3 Hz。基于中标GB 50009的风荷载计算详见表9，基于菲标NSCP C101的风荷载计算详见表10，本例刚度、质量沿高度均匀分布，计算过程略。为便于对比，图中均取为10 m一段。

根据表9及表10，中菲标准迎风面墙风压对比详见图2，背风面墙风压对比详见图3。中菲标准风的动力系数对比详见图4，分段点风载对比详见图5。