中国与阿尔及利亚标准顺风向风载作用比较

刘天英，钱永丰，姜 雪

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

随着国际业务拓展，国内工程公司已经开始在阿尔及利亚执行项目。项目风载参数源自阿尔及利亚标准，阿尔及利亚业主工程师也参与项目。阿尔及利亚业主工程师熟悉阿尔及利亚标准(以下简称阿标)，不了解中国标准(以下简称中标)，中国工程设计人员不了解阿标，这就阻碍图纸确认。为便于交流并顺利执行项目，有必要了解阿标。风载是作用在建(构)筑物上的基本荷载，常对建(构)筑物的安全起控制作用。风载又可以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，本文重点对比中阿标准顺风向风载计算。

1 顺风向风载

阿标 D．T．R．C 2-4．7—1999《阿尔及利亚风雪荷载规范》将结构分为2类:类型Ⅰ包括常见建筑物(住宅、行政、学校、卫生、礼拜等建筑)及仓贮建筑(水库、水塔、贮仓等);类型Ⅱ包括输电塔、升降机、脚手脚等垂直桁架结构和烟囱等高耸结构。

建筑物标高Zj风压力标准值qj计算公式，类型Ⅰ结构为:

类型Ⅱ结构为:

式中:qref为参考平均风速压力;Ce为暴露系数;Cd为动力系数;Cpe为外部压力系数;Cpi为内部压力系数;Cfj为总压力系数。

本文重点讨论类型Ⅰ结构的风载计算，类型Ⅱ结构风载计算详见 D．T．R．C 2-4．7—1999。当建筑d/b≥3或d/h≥3时，要考虑风的摩擦力，d为平行于风向的建筑平面尺寸，b为垂直于风向的建筑平面尺寸，h为建筑高度。为便于与中标比较，对于封闭建筑，不考虑风的摩擦力和内压，仅对中阿标准的外部压力进行比较。阿标qref、qj的计算如下。

式中:ρ为空气密度，取 1．20 kg/m3;Vref为基本风速。

中国标准 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》对于顺风向风载荷的计算见参考文献［1］。

从中阿标准计算风压公式中可以看出，风压均在基本风速平方的基础上乘以一系列系数得到。由于中阿标准空气密度取值不同，前面的数值系数差值略有差别。虽然其他的系数在表达形式上有一定区别，但从定义上看中阿标准风载参数之间有大致对应关系，见表 1［2］。

在工程应用中，因风速沿高度变化，将结构沿高度分为若干水平段。对于建筑物，阿标分为2种情况:当建筑高度h≤10 m时，作为一段考虑;当h＞10 m时，根据建筑层数分为多段。结构分段情况见图1，情况1采用屋顶高度处风载参数计算，情况2每段风载采用其高度处风载参数计算。中标条款中没有对分段高度做出规定，在工程上一般采用结合建筑层高并不大于10 m作为分段高度。为便于比较，算例中阿标与中标分段原则一致。

表1 中阿标准风载参数对应关系

图1 阿标结构分段示意

2 基本风速

根据中标基本风压的定义，可以推出基本风速v0为当地空旷平坦地面(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。阿标基本风速Vref定义与中标基本相同，为年超越概率0．02(平均重现期50年)当地空旷平坦地面(地面粗糙度Ⅰ类)上10 m高度处10 min内的平均最大风速。除地面粗糙度外，中阿标准基本风速的定义基本相同［3］。

阿标根据建筑的使用年限将建筑物分为2类:永久性建筑(使用期超过5年)和临时性建筑(使用期少于5年)，采用不同的基本风速，临时性建筑基本风速在永久性建筑的基础上折减15%。阿标将全国分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个风压区，各区永久建筑和临时建筑的基本风速和基本风压见表2。

3 基本风压系数

3．1 风压高度变化系数

大气边界层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［4］。中标地面粗糙度分为A、B、C、D 4类，采用风压高度变化系数μz来体现风压变化，本质上体现不同粗糙度地面风速随高度变化规律。在确定城区地面粗糙度类别时，中标以拟建房2 km为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上以该地区最大风的风向为准，也可以取其主导风向。以半圆影响范围内建筑物的平均高度ha划分地面粗糙度类别，ha≥18 m，为D类;9 m＜ha＜18 m，为C类;ha≤9 m，为B类。中标风压高度变化系数μz随离地高度及地面粗糙度类别不同取值，详见GB 50009—2012建筑结构荷载规范。当达到梯度风高度以上时，μz值不再变化。A类地面粗糙度梯度风高度为300 m，对于B、C、D类地面，分别为350 m、450 m、550 m。中标列出550 m以上的风压高度变化系数，没有对建筑物的适用高度提出要求。

阿标在应用范围中规定该标准适用于最大高度200 m的建筑，通过暴露系数ce(Z)体现速度压随高度的变化。Z高度处暴露系数为:

式中:Cr(Z)为粗糙系数;Ct(Z)为地形系数;KT为地面系数。对于平坦地区，地形系数Ct(Z)可取1．0。粗糙度系数Cr(Z)取决于结构所处高度及所处位置的地面粗糙度，阿标基于对数风速剖面，Cr(Z)计算式为:

式中:KT为地面系数;Z0为摩擦长度;Zmin为最小高度。

阿标将地形类别分为4类，KT、Z0及Zmin依赖地形类别，相应值见表3。

表3 阿标4类地形KT、Z0、Zmin取值

要想实现标准间参数间的换算和比较，就要找到中国与阿尔及利亚标准地面粗糙度的对应关系，在同一粗糙度条件下进行对比。中标地面粗糙度分为A、B、C、D4类，阿尔及利亚标准分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4类。根据中国与阿尔及利亚标准的描述，地面粗糙度类别的划分有一定区别，但也有近似对应关系，近似对应关系见表4。

表4 中阿标准地形类别对比表

中标基本风速基于B类地形，阿标基本风速基于Ⅰ类地形。中阿标准地形划分基于简单描述，缺乏定量的数据，为保证工程安全，相互转换过程中要进行一定的处理。从中标表8．2．1来看，10 m高度A类地面基本风压为1．28倍B类地面基本风压，则10 m高度A类地面基本风速为1．13倍B类地面基本风速。作为基本风速中阿标准间的转化，具体设计时可以这样处理，如果由阿标向中标转换，直接由阿标的基本风速作为中标的基本风速，这样偏保守。如果由中标向阿标转换，中标B类地面基本风速应乘以1．13倍后转换为A类地面基本风速，再等同于阿标的Ⅰ类地面基本风速。

3．2 体型系数

中标风荷载体型系数实际就是面上平均风压系数，GB 50009—2012详细列出不同类型的建(构)筑物体型及其体型系数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，背风面－0．5。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。迎风面一直为+0．8，但背风面体型系数随长宽比(d/b)变化而变化，宽度b指迎风面的宽度。无论建筑多高，建筑两侧墙均为－0．7。

阿标压力系数Cp的值与符号由结构的表面位置(前面、后面、侧面等)决定，正值表示压力，负值表示吸力。对于矩形横截面的建筑，不同位置风压分区见图2，图中参数e取b或2h两者中的小值。

图2 阿标结构风压区

根据表面积大小，阿标定义两套外部压力系数。表面积为1．0 m2或更小采用 Cpe，1，表面积为10 m2或更大采用Cpe，10。对于1 m2和10 m2之间表面积，Cpe值通过对数内插决定:

式中S为表面积。通常情况下，Cpe，1用于计算非结构构件及其连接的风载，Ce，10用于计算主要结构体系的风载，Cpe，1和 Cpe，10取值见表 5，中间值进行线性内插。

表5 阿标矩形截面建筑外部压力系数

3．3 风振系数

中标规定对于高度大于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，采用风振系数法计算顺风向风载。风振系数的计算见文献［1］。

阿标没有明确考虑风载动力效应的条件，所有结构都要考虑，动力系数Cd由结构的类型(混凝土或钢结构)、结构高度和宽度决定，该标准考虑作用在结构表面压力相关缺乏的折减效应以及因为湍流频率接近结构频率的放大效应。对于高度200 m以下的一般房屋或烟囱，动力系数Cd可在D．T．R．C 2-4．7—1999中查找，能满足大部分工程需求。当高宽比很大时，Cd值可采用公式(9)计算:

式中:Zeq为建筑等效高度(m);Iv(Zeq)为等效高度处的湍流强度为脉动风荷载的准静态因子;为脉动风荷载的共振因子;g为峰值因子。对于一般建筑类，Zeq取0．6h和Zmin的较大值。

可以看出，中标考虑湍流系数以及共振系数的影响，顺风向风振系数总是大于1．0。阿标动力系数Cd主要考虑共振的影响，湍流效应在暴露系数Ce(z)中考虑。阿标系数Cd由于考虑结构表面峰值风压非同时发生的减弱效应，该系数可小于1．0。中标风振系数沿高度方向增大，而阿标在整个结构高度上风载采用一个Cd值计算。

4 算例

算例1:某永久建筑为钢结构支撑框架，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。地形平坦，阿标基本风速为28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度类别为Ⅱ类，动力系数Cd=1．02。对应中标的粗糙度类别B类，结构基本自振周期3．75 s。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1．1倍采用。中标 ω0=0．49 kN/m2，考虑 1．1 倍系数为0．54 kN/m2。为便于计算，中阿标准结构均采用10 m一段，中标与阿标动力系数对比见图3，分段点风载对比见图4。

图3 中标与阿标动力系数对比

图4 中标与阿标分段点风载对比

算例2:某封闭永久建筑为钢筋混凝土框架。平面尺寸为20 m×20 m，共4层，下部3层层高3．33 m，顶层层高4 m，总高度为14 m。地形平坦，阿标基本风速为28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度类别为Ⅱ类，动力系数Cd=0．94。对应中标的粗糙度类别B类，根据相关条款，中标风振系数βz=1．0。为便于计算，中标总高14 m分为两段，下部10 m及上部4 m。根据阿标计算风载的分段原则，按一段考虑，共14 m高。基于中阿标准的风载计算对比见表6。

5 结论

a．除基于的场地类别外，中标基本风速的定义与阿标参考风速基本值定义一致。中标基本风速基于B类地形，阿标基本风速基于Ⅰ类地形，二者不对应。

b．对于常规矩形截面建筑迎风面和背风面，中标风载体型系数与阿标的压力系数相近，阿标无论多高，该系数均与高宽比无关，而中标建筑高度大于45 m时与长宽比有关。建筑侧面中标仅有一个风压分区，阿标根据建筑长宽比不同分出一到三个区，系数取值中国和阿尔及利亚相差较大。

表6 中阿风荷载计算对比

c．阿标没有明确考虑风载动力效应的条件，所有结构都要考虑。中标顺风向风振系数总是大于1．0，而阿标动力系Cd可小于1．0。中标风振系数沿高度增大，而阿标在整个结构高度上风载采用一个Cd值计算。

d．中标地面粗糙度分为 A、B、C、D 4 类，阿标地形类别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4类。大致对应关系为中标A类对应阿标Ⅰ类，B类对应Ⅱ、Ⅲ类，C和D类对应Ⅳ类。这种对应关系建立在粗略和定性基础上，对应关系不绝对。为降低安全风险，在实际工程中风载计算应以最安全或最保守的地形分类。

e．对于低矮的建筑，阿标的风载高于中标，因阿标暴露系数Ce(Z)考虑湍流强度，其取值显著高于中标中风压高度变化系数μz。对于高层建筑，从地面起阿标风载高于中标风载，随着高度增加，中阿标准风载差距减小，当建筑达到一定高度时，中标风载在某个高度会超过阿标。