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
和围护结构尤其如此。

3．美国风荷载规范考虑了建筑物内部风压，引入了内部风压系数，对有孔洞、门窗和开敞式建筑产生的内部风压，作了详细的分析和规定。

中国规范仅在验算围护构件及强度时，出于安全考虑，参照国外规范，规定了±0.2的内表面局部风压体型系数。

三、结语
1．两国风荷载规范理论上都建立在随机振动理论的风振分析方法的基础上，在表达方式上，与抗震规范一致，因而较为合理且准确。

2．美国规范考虑了风载作用下结构质心与形心偏差的扭转影响，中国规范对此尚未有考虑。

3．美国规范对刚性结构、柔性结构、动力敏感结构的脉动风载作用下的不同影响，采用不同公式加以计算，对于低矮建筑也采用了专门的规定；中国规范没有加以特别区分。

某些特殊情况的计算存在一定出入。

4．美国规范的风荷载定义了不同的风压分区，各分区的风压系数不同，这一点，更加接近于实际情况，比之中国规范简化为单一的值，显得更加准确。

5．对风载敏感或特别复杂的结构，两种规范都指出，应该通过风洞试验来确定体型系数或风压系数。

对于ａ类密集高层建筑物的大城市区，考虑到复杂的局部风隧效应和尾流颤振效应，美国规范取消了该地面粗糙度规定，建议采用风洞试验确定。

注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看。