中-美建筑风荷载计算方法之对比-分析

中\美建筑风荷载计算方法之对比\分析摘要：文章针对美国asce/sei 7-05《建筑最小荷载规范》中的风荷载和中国gb50009-2001（2006版）《建筑结构荷载规范》的风荷载部分进行分析和比较。在风荷载设计原理上，美国规范与中国规范基本相同，对常规外形建筑物的设计，计算结果差别不大；主要的区别在于体型系数的分类体系化以及风振系数的计算方法。

关键词：美国规范；风荷载；体型系数；风振系数

随着我国工程设计、施工单位不断参与国际招标工程，了解和掌握其它国家的规范正在成为一些设计单位的必要工作；美国规范作为世界主流标准之一，被越来越多的涉外工程所要求采用，因此对美国规范的介绍是非常必要的，同时通过对比、分析我国规范与美国规范之异同，对在实际工程中很好的理解与应用两国规范具有促进作用。

一、计算公式对比

中国规范gb50009-2001（2006版）（以下简称“中国规范”）对垂直作用于主要承重结构建筑物表面的风荷载标准值计算为：wk=βz.μs.μzw0 （1）

式中：wk——风荷载标准值，kn/m2；βz——高度ｚ处的风振系数；μs——风荷载体型系数；μz——风压高度变化系数；w0——基本风压，kn/m2。

美国规范asce/sei 7-05（以下简称“美国规范”）对作用于主要承重结构建筑物表面的净设计风压p的计算如下：

对刚性建筑：p=qgcp-qi（gcpi）（2a）

对柔性建筑物：p=qgfcp-qi（gcpi）（2b）

对低矮建筑物：p=qh[（gcpf）-（gcpi）] （2c）

对开敞式建筑和其他结构：f=qzgcf.af（3）

式中：qi——不同高度处的风速压力，psf（1psf=47.88026pa）；

g、gf——阵风影响系数；gcp、gcpf——外部风压系数；gcpi——内部风压系数。

二、基本参数对比

（一）基本风速

基本风速是风荷载设计输入的基本参数，但是各国对基本风速的取值是有各自标准的。各国在制定规范的时候，涉及到以下6项的定义是不同的。

1．标准离地高度。风速是随着高度变化的，由于地表摩擦的影响，使得离地高度越大，风速就越大，直到达到不受地表影响的梯度风高度，风速即稳定在梯度速度。

2．最大风速重现期。从概率的意义上来说，在一定时间间隔内，超过该最大平均风速的概率不大于某特定值，该时间间隔就称为重现期。重现期越长，结构安全度越高。

3．平均风速的时距。平均最大风速与时距有很大关系，时距取得越短，则平均风速值越高。

4．标准地貌类别。地表愈粗糙，风能消耗愈厉害，平均风速愈小。因此必须以一个标准的地貌作为基本风速的取值标准。

5．最大风速的样本。最大风速有其周期性，每年季节性重复，因此，采用年最大风速作为一个统计样本是比较合适的，在这点上两国基本一致。

6．最大风速概率分布曲线类型。由于最大风速涉及到概率计算，必须根据概率密度函数曲线形式，选取最符合最大风速出现规律的曲线线形。中国规范中基本风速v0的规定是：一般空旷平坦地面，离地高10m，10min时距，按50年重现期确定的年平均最大风速。

美国规范中基本风速v的规定是：c类粗糙度场地，离地33ft （高10m，1ft=0.3048m），时距为3s的阵风风速，按50年重现期确定的年平均最大风速。表1为中、美规范基本风速影响因素对比。

表1中、美规范基本风速影响因素对比

从表1可以看出，中、美规范在基本风速的定义上，仅在时距的取值上存在着不同。以中国规范的10min为基准，对各种不同时距风速的换算比值。可以得出中、美规范基本风速关系如下：美国基本风速v≈1.42×中国基本风速v0。

（二）地面粗糙度类别

风压沿高度的变化，与地面的粗糙度有关，我国定义与美国规范是相反的，见表2：

表2中、美规范地面粗糙度分类对比

这里需要说明的是，之前的asce-95版对ａ类粗糙度有详细定

义及描述，与我国ｄ类相似。从asce-95规范开始认为，大量密集建筑的城市区域，接近高大建筑物，存在复杂的局部风隧效应和尾流颤振效应等，很多情况超越了分析法能够解决的范畴，推荐在时间和经费允许的情况下，采用风洞试验法。

（三）风振系数与阵风影响系数

风力中除了平均风以外，还有脉动风。由于它是随机荷载，因而将引起结构的随机振动，其理论基础是随机振动理论。

中国规范的风振系数βz是考虑结构在风荷载的作用下，随时间、空间变异性、结构阻尼和周期等因素，来计算脉动风作用下，结构动力影响的综合系数。

中国规范规定，高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期t1大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。

对于外形、重量沿高度无变化的等截面结构，由于频谱比较稀疏，第一振型为主导振型，可仅考虑第一振型影响，沿高度ｚ处的风振系数为：

式中：ξ——脉动增大系数；ν——脉动影响系数；φz——振型系数（应由结构动力分析确定，也可采用规范近似公式或附录ｆ确定）；μz——风压高度变化系数。

美国规范的阵风影响系数g或gf作用和原理与我国规范的风振系数βz相似。

对于刚性结构：

（4）

对于柔性或动力敏感结构：

（5）

式中：iz－.——z高度处的紊流密度；q——背景响应系数；gv，gr，gq——根据规范取值系数；r——共振反应系数。

（四）体型系数与风压系数

结构体型的不同，直接影响到作用于建筑物不同表面的风荷载大小。相同风速的情况下，不同建筑物外形和相同建筑物不同表面产生的风压有很大的差别。

中国规范风载体型系数μs，是风在建筑物表面引起的实际压力与来流风压的比值。美国规范与之对应的是风压系数cp。

中国的风载体型系数经过了一个不断完善的过程，并参考了国外的资料，得出了现在规范中较为详细的风荷载体型系数表。美国规范现阶段的风压系数，也是在边界层风洞试验基础上，结合之前的研究总结而来。事实上，中国规范列出的体型系数，大部分根据国外规范整理而成，其中就包括美国规范。从体型系数和风压系数比较也可看出，两者大致基本相同，最大的不同主要体现在以下几个方面：

1．美国规范风压系数与建筑物的外形比例相关，并随设计时考虑的风向变化。

2．美国规范各受风面（包括屋面和侧墙）细分为若干风压区，不同分区采用不同的风压系数。这样更接近于真实情况，对于构件