中美规范关于SCR钢支架风荷载计算的比较

俞栋华 吴金池

(湖北省工业建筑集团有限公司，湖北 武汉 430064)

随着我国国际贸易不断发展，涉外SCR项目越来越多。在SCR钢支架的设计中，风荷载是较为重要的外部荷载，往往影响结构的选型。而在涉外项目中，美国规范已被广泛使用。因此，找出中美规范关于风荷载计算的差异非常必要。通过对中国规范GB 50009—2012[1]、美国规范ASCE 7-10[2]中关于SCR钢支架风荷载计算进行对比，以某SCR项目为例，找出中美规范之间的差异，为涉外工程设计人员提供参考。

1 计算方法

1.1 中国规范风荷载计算

根据文献[1]式8.1.1-1，SCR钢支架风荷载标准值计算公式如下：

ωk=βzμsμzω0。

其中，ωk为风荷载标准值,kN/m2;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，根据文献[1]条文说明8.1.2计算如下：

其中，υ0为基本风速,m/s，定义为B类场地离地10 m高的10 min平均年最大风速，重现期是50年。

1.2 美国规范风荷载计算

根据文献[2]式29.5-1，SCR钢支架设计风压计算公式如下：

q=qzGCf。

其中，q为设计风压,N/m2;qz为高度z处的速度风压,N/m2，根据文献[2]式29.3-1计算如下：

qz=0.613KzKztKdv2。

其中，Kz为暴露系数;Kzt为地形系数;Kd为风向系数;v为基本风速,m/s，定义为C类场地离地10 m高的3 s阵风风速，重现期是300/700/1700年；G为阵风效应系数;Cf为体型系数。

2 主要参数

2.1 基本风速

中美规范基本风速的定义均与场地类别、高度、时距、重现期有关，将其制成统计表，见表1。

表1 中美规范基本风速确定方法

由表1可知，中美规范在重现期和时距的选取上有所差别。但不同重现期和时距的基本风速可以换算。

1)不同重现期基本风速换算。

根据文献[2]式C26.5-2，不同重现期基本风速换算关系如下：

其中，T为重现期，年。

2)不同时距基本风速换算。

根据文献[2]Figure C26.5-1，不同时距基本风速换算关系如下：

其中，V3,V600,V3 600分别为3 s,10 min,1 h基本风速,m/s。

2.2 地形与高度

1)地面粗糙度。

中美规范地面粗糙度类别对应关系见表2。

表2 地面粗糙度对应关系

2)风压高度变化系数。

中美规范风压高度变化系数均与幂指数α、梯度高度zg、截断高度zmin有关，将其制成统计表，见表3。

表3 中美规范风压高度变化系数的相关参数

a.中国规范。

根据文献[1]条文说明8.2.1，整理出风压高度变化系数计算公式如下：

b.美国规范。

根据文献[2]Table 29.3-1，速度压力暴露系数计算公式如下：

2.3 体型系数

1)中国规范。根据文献[1]表8.3.1第32项次，取1.3。

2)美国规范。根据文献[2]Figure 29.5-2，取1.6～2.0。

2.4 风振效应

1)中国规范。根据文献[1]式8.4.3，高度z处的风振系数计算公式如下：

其中，g为峰值因子，取2.5;I10为10 m高度名义湍流强度，对A，B，C，D类地面粗糙度分别取0.12，0.14，0.23，0.39；R为脉动风荷载共振分量因子，根据文献[1]式8.4.4-1计算如下：

f1为结构第1阶自振频率,Hz;kw为地面粗糙度修正系数，对A,B,C,D类地面粗糙度分别取1.28，1.0，0.54，0.26；ζ1为结构阻尼比，取0.01;Bz为脉动风荷载背景分量因子，根据文献[1]式8.4.5计算如下：

φ1(z)为结构第1阶振型系数;H为结构总高度,m，对A，B，C，D类地面粗糙度分别取300 m，350 m，450 m，550 m；k,a1均为系数;ρx为脉动风荷载水平方向相关系数，根据文献[1]式8.4.6-2计算如下：

ρz为脉动风荷载竖直方向相关系数，根据文献[1]式8.4.6-1计算如下：

B为结构迎风面宽度。

2)美国规范。根据文献[2]式26.9-6，刚性结构阵风效应系数可取0.85或按下式计算：

其中，Iz为高度z处的涡流强度，根据文献[2]式26.9-7计算如下：

gQ,gv均为峰值系数，均取3.4;c根据文献[2]Table 26.9-1确定；Q为遮蔽效应，根据文献[2]式26.9-8计算如下：

B为结构迎风面宽度；h为结构高度;Lz为涡流积分长度比例，根据文献[2]式26.9-9计算如下：

l,分别根据文献[2]Table 26.9-1确定。

3 工程实例

3.1 工程概况

某SCR支架，长×宽×高=38 m×13.65 m×25 m，由矩形管框架柱、H型钢框架梁及H型钢斜撑组成的无侧移钢结构。柱网布置图见图1，计算模型见图2。

风荷载基本参数如下：1)中国规范。基本风压为0.6 kN/m2(对应风速为31 m/s)，地面粗糙度为B类。2)美国规范。基本风速为44 m/s，地面粗糙度为C类。

3.2 计算结果

1)设计风压。按中美规范计算设计风压结果分别见表4，表5。

表4 中国规范计算设计风压结果

表5 美国规范计算设计风压结果

根据表4,表5数据，制成设计风压折线图，如图3所示。

2)水平反力。按中美规范计算水平反力结果见表6。

表6 中美规范计算水平反力结果

3)柱顶位移。按中美规范计算柱顶位移结果见表7。

表7 中美规范计算柱顶位移结果

4 结语

1)中美规范关于SCR钢支架风荷载计算均与基本风速、体型系数、风压高度变化系数、阵风效应系数等因素有关，但中美规范关于以上因素取值不同。2)中美规范关于某SCR钢支架设计风压均随高度增加而增大，但中国规范随增加幅度更大。3)美国规范关于某SCR钢支架水平反力约为中国规范的1.144倍～1.189倍。4)美国规范关于某SCR钢支架柱顶位移约为中国规范的1.053倍～1.062倍。