2012新规范风荷载计算及其在PKPM软件中的实现

w0 ——基本风压；
µ z ——风压高度变化系数。
顺风向风荷载
2012 规范关于顺风向风荷载的计算公式没有形式上的变化，仍然采用平均风压乘以风振系数的表达形 式。对于主要受力结构，风荷载标准值的计算公式如下： (1) 其中： — 风荷载标准值（kN/m2） ； — 高度 z 处的风振系数； — 风荷载体型系数； — 风压高度变化系数； — 基本风压。 如果不考虑结构在风荷载作用下的动力响应，则由平均风压引起的静荷载取决于体型系数 、风压高
图2
图3 图 3 统计了 A-D 四类地区，在层高均匀的前提下，按新旧规范计算的风荷载总值（即基底剪力）的差 异随结构总高度变化的趋势： 对于 A 类地区，2012 规范计算的基底剪力减小 6.8%左右，其差异基本不受结构总高的影响；B 类地区 随结构高度增加，基底剪力的差异相应增加，结构总高 100 米时，新规范剪力减小 3.2%左右，200 米 时减小 4.6%左右，400 米时减小 5.8%左右，600 米时，减小 6.2%左右，即 2012 规范对于较高的结构， 风荷载总值相对降低的越多；C 类地区在 400 米以内时，减小 11.7%左右，超过 400 米后，差异逐渐减 小，600 米时差异为 9.7%；D 类地区在 450 米以内减小 17.6%左右，超过 450 米后差异逐渐减小，600 米时为 14.6%。理论上，随着结构高度的增加，四类地区基底剪力的差异最终都将趋近于-6.7%，即风 压高度变化系数的最终差异。
图5 针对本算例，结构总高 100 米时，2012 规范风振系数增加 6%~19%，结构总高 200 米时，风振系数增 加 4%~15%，结构总高 400 米时，风振系数增加 2%~10%，且均呈现出越往高处风振系数相比 2001 规 范增大越多的规律。另一方面，当结构总高度越高时，风振系数的变化相对越小，例如对于 200 米和 400 米的结构，100 米高度处的风振系数分别相对 2001 规范增大 12%和 6%。可见 2012 规范相对增加 了结构较高处的风振系数，但相对减小了较高结构的风振系数 综合风压高度变化系数和风振系数的影响，仍以 C 类地区为例，分别比较上述三种不同高度结构的风 压标准值的变化（比较条件同上） ，如图 6 所示：
1.3 风压高度变化系数
2012 规范在保持划分 4 类粗糙度类别不变的情况下，适当提高了 C、D 两类粗糙度类别的梯度风高度， 由 400m 和 450m 分别修改为 450m 和 550m。B 类风速剖面指数由 0.16 修改为 0.15，适当降低了标准 场地类别的平均风荷载，具体变化如下：
2001规范
图4 从图 4 对比可知 2012 规范四类场地的风振系数均比 2001 规范明显提高，为比较相对变化规律，对于
100 米、200 米和 400 米的结构，分别比较了不同高度处风振系数 2012 规范相比 2001 规范的百分比差 异，以 C 类地区为例，仍然假定基本风压 0.5KN/m2，阻尼比 5%，高宽比等于 5，考虑结构基本周期 随高度的变化，假设 T1 = 0.05n ，楼层平均层高 3 米，则取 T1 = H / 60 ，计算得到不同高度结构的风 振系数沿其自身高度的变化差异，如图 5 所示。
矩形平面结构的横风向风振
按 2012 规范 8.5.1 条， “对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横 风向风振的影响。 ”由于判断是否需要考虑横风向风振的影响比较复杂，涉及建筑的高度、高宽比、结 构自振频率及阻尼比等因素，因此条文说明中给出“建筑物高度超过 150m 或高宽比大于 5 的高层建 筑可出现较为明显的横风向效应”这一条件。 横风向风振的荷载可以通过风洞试验获得，也可以通过计算获得，2012 规范在附录中给出规则结构的 计算方法。有关风洞试验的数据可以通过文件的形式接入 PKPM 的计算，这里主要讨论规范附录中提 供的计算方法。
µ z 为风压高度变化系数。
2012 规范风振系数采用如下公式：
β z = 1 + 2 gI 10 B z 1 + R 2
其中 g 、
(5)
I10 分别为峰值因子和 10m 高度名义湍流强度，均为常量；
R 为脉动风荷载的共振分量因子，
， 其中 1 + R 与 2001 规范的 ξ 的表达式相同；
2
2012 新规范风荷载计算及其在 PKPM 软件中的 实现
引言
相对于上一版规范 GB50009-2001（以下简称 2001 规范） ， 《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（以下 简称 2012 规范)对风荷载的计算方法做了较大的修改。其中不仅调整了风压高度变化系数和体型系数 等静力计算内容，而且对风振计算的内容与方法做了大量的改进和完善工作，这其中包括：修改了顺 风向风振系数的计算表达式和计算参数，增加了大跨度屋盖结构风振计算的原则规定；增加了横风向 和扭转风振等效风荷载计算的规定，增加了顺风向风荷载、横风向及扭转风振等效风荷载组合工况的 规定；增加高层建筑结构顺风向及横风向风振加速度计算等内容。 在风荷载的计算中，除了少数工程通过风洞试验获得数据以外，大多数工程仍需要借助于软件的自动 计算功能， 这就需要由工程人员自行确定相关的参数， 由于 2012 规范中风荷载计算涉及的参数较 2001 规范明显增多，且计算方法变得更加复杂，使得参数的选择和对计算结果的定性校核变得比较困难， 因此有必要对各参数的选择和主要参数对计算结果的影响进行详细的分析讨论。 在本文中，依据 2012 规范提供的计算方法，结合 PKPM 的软件，讨论了不同的参数设置和结构的特征 对计算结果的影响，并对规范中的重要条文，如适用范围等进行了重点探讨。
度变化系数
及基本风压
这三项因素，下面首先讨论顺风向作用下的静荷载计算：
1.1 基本风压
2012 规范在 2001 规范数据的基础上进行了重新统计， 部分城市在补充新的气象资料重新统计后， 基本 风压有所提高。
1.2 体型系数
2012 规范中表 8.3.1 中增加了第 31 项， 对于高度超过 45m 的矩形截面高层建筑需考虑深宽比 D/B 对背 风面体型系数的影响。当平面深宽比 D/B≤1.0 时，背风面的体型系数由-0.5 增加到-0.6，矩形高层建 筑的风力系数也由 1.3 增加到 1.4 。 8.3.2 条还增加了矩形平面高层建筑的相互干扰系数取值。 在 PKPM 软件中，基本风压和体型系数由设计人员直接指定，以上两项变化需由设计人员确认并在软 件参数中体现，软件不做改变。
z µ = 0.318 10
D z
µ ≥ 0.62
B z
z µ = 0.262 10
D z
µ zB ≥ 0.51
图1 在 PKPM 软件中，风压高度变化系数由程序根据上述公式自动进行计算。当基本风压和体型系数不改 变时，风压高度变化系数是影响顺风向静荷载的唯一因素，因此，图 1 也等价于结构不同高度处风荷 载标准值的变化规律。 图 2 统计了 A-D 四类场地风压高度变化系数的两版规范的差异，其中 D 类场地 2012 规范减小的最多 （17.7%） ，其次是 C 类（11.7%） 、A 类（6.9%）和 B 类（0~6.7%） 。除 B 类外其余三类均接近等比例 减小，B 类在梯度风高度（350 米）以内随结构高度增加，差异相应增大。这四类地区在超过梯度高度 后 ， 2012 规 范 与 2001 规 范 的 风 压 高 度 变 化 系 数 分 别 为 2.91 和 3.12 ， 因 此 最 终 差 异 均 为 (2.91-3.12)/3.12=-6.7%。
(6)
Bz 为脉动风荷载的背景分量因子，
(7)
其中
ϕz µ 与 2001 规范 z 项相同，其余各项与粗糙度类别、结构总高和迎风面宽度有关，这与 2001 规
项则直接与迎风面
范的脉动影响系数ν 的影响因素相似，区别在于ν 与高宽比 H/B 相关，而
宽度 B 相关。 可见新旧规范风振系数均与粗糙度类别、基本周期、基本风压、阻尼比、结构总高度、高宽比及风压 高度变化系数有关。 假定基本风压 0.5KN/m2，阻尼比 5%，高宽比等于 5，结构高度 200 米，基本周期 3.3s，分别比较 A-D 四类地区的风振系数，如图 4 所示：
2.1 基本计算公式
根据规范，对矩形截面高层建筑横风向风振等效风荷载标准值计算公式整理如下：
2 ' 1 + RL wLK = gw0 µ z C L
（8）
2
其中 wLK ——横风向风振等效风荷载标准值( kN / m )；
' CL ——横风向风力系数；
RL ——横风向共振因子；
g ——峰值因子，可取 2.5；
图6 考虑风振后按新旧规范计算的风压标准值沿楼层高度变化规律为先小后大，即在底部楼层略小于 2001 规范，越往上层，2012 规范风荷载增加越快，在上部楼层可能超过 2001 规范，但也有可能偏小，这与 结构总高度等因素有关，例如上例中 100 米和 200 米的结构在上部楼层的风压标准值超过 2001 规范， 而 400 米结构则各层风荷载均偏小，从上文可知当结构越高时，风振系数增加越慢，而风压高度变化 系数的变化基本保持一致，因此风荷载增加的越慢。 从上述比较可知考虑风振后的风荷载总值即基底剪力与 2001 规范相比可能增大也可能减小， 图 7 总结 了 A-D 四类地区新旧规范基底剪力的百分比差异与结构总高度 H 的关系，比较条件同上。
2012规范
µ zA = 1.379
B z
z 10
0.24
µ zA ≥ 1.17
0.32
µ zA = 1.284
B z
z 10
0.24
µ zA ≥ 1.09
0.30
z µ = 1.00百度文库 10 z µ = 0.616 10
图7 多数情况下，当结构高度越小时，基底剪力相应增加越多，随着结构高度增加，基底剪力的增加相应 减小，超过一定高度后，2012 规范的数值将小于 2001 规范，即新规范增加了高度较低结构的风荷载， 而相对减小了较高结构的风荷载。例如 C 类地区，结构总高小于 150 米时风荷载总值大于 2001 规范， 150~200 米左右时二者相当，超过 200 米后则小于 2001 规范，且结构越高，则风荷载总值相对减小的 越多。对于较低的结构，B 类地区风荷载增大最多，其次为 A 类、C 类和 D 类，而对于较高的结构， D 类地区风荷载将明显减小，其次为 C 类，而 A 类和 B 类则和 2001 规范基本相当。 由于风振系数同时还与结构基本周期、阻尼比、高宽比等多项因素有关，而图 7 只是在固定这些参数 条件下的比较，因此只能体现其变化趋势，而具体变化幅度则取决于各项参数的综合作用，例如对于 上述 C 类地区，同等条件下，阻尼比 5%时，当高度为 170 米时新旧规范风荷载数值大小相当，而阻尼 比为 2%时，则在 300 米左右时新旧规范风荷载大小相当。同样，结构基本周期、基本风压等参数也会 产生类似的影响，因此变化规律较为复杂，具体工程的差异需要通过计算来确定。
C z
µ ≥ 1.00
B z 0.44
z µ = 1.000 10 z µ = 0.544 10
C z
µ zB ≥ 1.00
0.44
µ ≥ 0.74
C z 0.60
µ zC ≥ 0.65
0.60
(2) 图 1 列出了四类地貌的风压高度变化系数的新旧规范对比， 可以直观看出 2012 规范四类地区风压高度 变化系数均比 2001 规范减小：
1.4 风振系数
接下来讨论 2012 规范中顺风向风振的计算，在 2001 规范中风振系数的计算公式如下：
βz = 1+
ξνϕ z µz
(3)
其中 ξ 为风振动力系数，与结构的阻尼比、基本风压及基本自振周期有关；
ϕ z 为结构的振型系数，在 PKPM 软件中一律采用弯剪型的近似公式：
； (4)
ν 为脉动影响系数，与粗糙度类别、高宽比及结构总高度有关；