东南大学-中欧风荷载规范的异同分析
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Байду номын сангаас (2)求和法的计算公式为:
外表面压力:
������������,������ = ������������������������ ∙ ∑ ������������ ∙ ������������������������
������������������������������������������������
������������ = ������������������������ ∙ ������������ ∙ ������������(������������) ∙ ������������������������ 式中:
������������ ������������ —结构系数; ������������—结构整体或结构性构件的力系数; ������������(������������)—基准高度处的峰值风速压力; ������������������������—特征面积。
即
内表面压力:
������������,������ = ������������������������ ∙ ∑ (������������(������������) ∙ ������������������) ∙ ������������������������
������������������������������������������������
=
[1
+
7
∙
������������(z)]
∙
1 2
∙
������
∙
���������2���(z)
=
������������ (z)
∙
������������
ρ—空气密度;
������������(z)—暴露系数; ������������—基本风速压力; ������������(z)—湍流强度。 (1)力系数法的计算风压力������������公式为:
类场地,B、C、D 类场地分别对应于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地。
表 1 中欧规范粗糙度分类对比
《建筑结构荷载规范》
prEN 1991-1-4
A 类指近海海面和海岛、海
0 海面或接近开阔海面的近海地区
岸、湖岸及沙漠地区
Ⅰ湖面或无障碍物、植被可忽略的水平平整地区
B 类指田野、乡村、丛林、 Ⅱ有矮小植被(草地),或者有孤立障碍物(树,建筑
表 2 中欧描述风剖面的参数对比
《建筑结构荷载规范》
������������������
=
1.284
������ 0.24 (10)
������������������
=
1.000
������ 0.30 (10)
������������������
=
0.544
������ 0.44 (10)
������������������
=
0.262
������ 0.60 (10)
prEN 1991-1-4
z������������������
≤
������
≤
������������������������ 时,������������ (z)
=
������������
∙
ln ( ������ )
������0
������ ≤ ������������������������时,������������(z) = ������������(z������������������)
中欧风荷载规范对比作业
学生姓名 学号 指导教师 完成时间
惠卓/张文明 2016 年 8 月
中欧风荷载规范的异同分析
摘要:本文首先对中欧两国规范《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 和 prEN 1991-1-4:2004 中风荷载计算方法进行了简要介绍,并对中欧风荷载规范的基本 风速、地面粗糙度类别、描述风剖面的参数、体型系数、脉动风速功率谱、动力 响应、计算过程的异同点进行对比分析。 关键词:风荷载、地面粗糙度、体型系数、风速谱 Abstract: In this paper, the calculation for the determination of wind actions of both Load code for the design of building structures GB50009-2012 and European Standard prEN 1991-1-4 are introduced firstly. And the similarities and differences of the mean wind velocity, terrain categories, the parameters uesd to describe wind profile, structural factor, turbulence power spectrum, dynamic response and the caculation procedures are compared and analyzed. Key Words: wind actions, terrain roughness, structural factor, wind-velocity PSD
2 欧洲规范风作用计算方法简介
欧洲风荷载规范 prEN 1991-1-4 适用于计算高度 200m以内的建筑和结构工
程,以及跨度 200m以内的桥梁的风荷载。对于设置核心筒等扭转振动明显的结
构,以及需要考虑多阶振型的结构等不在此部分规范讨论范围之内。此规范中,
确定风荷载作用的大小有两种方法:一是使用形状系数采用力系数的力系数法,
丘陵以及房屋比较稀疏的乡 物)且障碍物间的间隔不小于障碍物高度的 20 倍的
镇和城市郊区
地区
C 类指有密集建筑群的城市 Ⅲ有间距小于 20 倍高度的规则植被、建筑物或障碍
市区
物覆盖的地区(例如乡村、城郊、森林)
D 类指有密集建筑群且房屋 Ⅳ地表 15%的面积被建筑物覆盖并且建筑物平均高
较高的城市市区
3.5 脉动风速功率谱
对于广告牌和具有特定形状截面的一些结构构件,计算作用在其上的风荷载时采
用该方法;二是通过外表面压(吸)力、内表面压(吸)力和风摩擦力三部分求和的
求和法,对于一般建筑物而言,通常采用该方法。
计算某高度处的峰值风速压力时,同时考虑了风速平均值和短期的风速脉动。
由下式确定: 式中:
������������(z)
0 引言
近年来,由风灾引起的损失逐年增加,其中与结构损坏有关的风灾更是不胜 枚举。另外工程结构向着大跨度、高、柔、轻质的方向发展,风荷载正逐渐成为 结构设计时的主要控制荷载之一。这都要求对风荷载及其效应有准确的认识。风 荷载规范作为结构设计与施工的指导手则,但是不同国家风荷载规范的设计参考 风速取值存在很大的差异。结构抗风设计的主要依据是风荷载规范,欧洲规范在 结构风荷载和结构抗风设计方面居于世界领先水平,对比研究中欧两国的风荷载 规范对我国规范的改进也有着重要的借鉴意义。
������������������������������������������������
式中:
������������������ = ������������������ ∙ ������������(������������) ∙ ������������������
������������ ������������ —结构系数; ������������������������—特征面积; ������������������—摩擦系数; ������������������—平行与风向的外表面面积; ������������������、������������������—分别为外、内风压力压力系数。 对于求和法,当平行于风向的结构表面面积大于或等于垂直于风向的结构表
度超过 15m的地区
3.3 描述风剖面的参数
地面粗糙度对风剖面的影响,中国规范采用风压高度变化系数������������来表示,并 采用指数律的表达形式。欧洲规范采用粗糙度系数������������(z)来表示,并采用的是对数 律的表达形式。由于中国规范规定的是基本风压,而欧洲规范规定的是基本风速, 所以可将欧洲规范的地面粗糙度系数的平方������������2(z)和中国规范的风压高度变化 系数������������进行对比。
������������,������ = ∑ ������������ ∙ ������������������������
������������������������������������������������
即
摩擦力:
������������,������ = ∑ (������������(������������) ∙ ������������������) ∙ ������������������������
面面积的 4 倍及以上时,才考虑风摩擦力的影响。在外围护构件多孔的情况下才
考虑内表面风压。因此在一般的建筑结构的风荷载计算中,仅用计算外表面压力
一项。结构系数������������������������是是尺寸系数������������和动力系数������������两部分的乘积,分别是考虑了 作用在结构表面的峰值风速压力非同时发生的减弱效应和由于气流脉动而产生
剖面参数取值小于欧洲参数取值。
3.4 体型系数
对中欧规范中关于体型系数的规定进行比较可得:①中国规范为了简化计算, 每一受风面的体型系数采用了同一数值,而欧洲规范则考虑了同一表面各处风压 不一致的现象;②中国规范忽略了平行于表面积的风力作用,而欧洲规范在平行 于风向的面积较大时,均考虑了剪切风力的影响;③两种规范都都对结构的外压 体型系数和内压体型系数作了具体规定,但欧洲规范的规定更为细致,中国关于 体型系数的规定较为简略,尤其是对局部压力系数和内压系数的规定过于简单。
������������—风荷载体型系数; ������������—风压高度变化系数; ������0—基本风压(kN/㎡)。 (2)当计算围护结构时
式中 ������������������—高度 z 处的阵风系数。
������������ = ������������������������������������������������0
3.2 地面粗糙度类别
中国和欧洲风荷载规范中对于粗糙度的场地类别划分也有所不同。《建筑结
构荷载规范》将地面粗糙度分为 A、B、C、D 四类。欧洲风荷载规范 prEN 1991-
1-4 中把地形类别分为五类,分别是 0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,中欧规范对各地面粗糙
度类别的对比见表 1 所示。可以认为中国规范 A 类场地对应于欧洲规范 0 和Ⅰ
的结构振动的增强效应。
上述两种方法的计算公式在形式上有相似之处,同样都是用结构系数来反应
结构在风作用下的动力特性,适用于不同的建筑结构形式。
3 中欧风荷载规范对比
3.1 基本风速(风压)
中欧规范对基本风速的规定是相同的,均为空旷地区 10m 高度处 10min 以
内的平均年最大风速,年超越概率为 0.02,即重现期为 50 年。不同之处在于中 国规范采用的是基本风压,而欧洲规范采用的是基本风速,风速和风压可根据贝 努利公式换算。另外,欧洲规范 prEN 1991-1-4 中用暴露系数������������(z)对基本风速风 压进行修正,其中包括了对地面粗糙度、地形和风湍流影响的考虑。中国规范将 基本风速转化为基本风压后,考虑了地面粗糙度和地形的影响。
0.07
其中������������
=
0.19 ( ������ )
������0,Ⅱ
可得,①在 A 和 B 类地貌上,中国和欧洲规范的风剖面非常接近。但在 C
类和 D 类地貌上,两规范的风剖面随着高度的增加,差别越来越大。②远离地面
时,中国的风压高度变化系数大于欧洲参数取值,但靠近地面时,中国规范的风
1 中国规范风作用计算方法简介
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 中计算风荷载标准值的公式如下所示。
(1)当计算主要承重结构时
式中
������������ = ������������������������������������������0
������������—风荷载标准值(kN/m2); ������������—高度 z 处的风振系数;