中國和阿爾及利亞風(fēng)荷載計(jì)算方法對(duì)比

臧傳田　郭小農(nóng)　劉林林　曾強(qiáng)　黃瑋嘉

(1.中國建筑股份有限公司阿爾及利亞分公司,北京 100026; 2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

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中國和阿爾及利亞風(fēng)荷載計(jì)算方法對(duì)比

臧傳田1郭小農(nóng)2,*劉林林2曾強(qiáng)1黃瑋嘉2

(1.中國建筑股份有限公司阿爾及利亞分公司,北京 100026; 2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

摘要風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,在某些建筑結(jié)構(gòu)中甚至起主導(dǎo)作用。隨著我國建筑施工單位的業(yè)務(wù)不斷國際化,以阿爾及利亞為代表的非洲建筑市場得到了越來越多的關(guān)注;我國建筑企業(yè)在阿爾及利亞的業(yè)務(wù)不斷增長,因此有必要學(xué)習(xí)和掌握阿爾及利亞規(guī)范。簡要介紹了阿爾及利亞規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算方法和計(jì)算原理,并與中國規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)了兩國規(guī)范在風(fēng)荷載的計(jì)算方法和參數(shù)取值上的異同。

關(guān)鍵詞風(fēng)荷載, 阿爾及利亞, 體型系數(shù), 風(fēng)振系數(shù)

Comparative Study on the Wind Load Calculation MethodBetween the Code of Algeria and China

ZANG Chuantian1GUO Xiaonong2,*LIU Linlin2Zeng Qiang1HUANG Weijia2

(1.China State Construction Engrg.Corp.Ltd Direction General Pour L’ Algeria,Beijing,100026,China;

2.Department of Structural Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractThe wind load is one of the most important loads for the civil engineering works, and it even plays a dominant role in some structures. With the internationalization of business of Chinese construction companies, the Africa construction market, represented by Algeria has got increasing attention. As the business of Chinese construction entities in Algeria is growing, therefore, it is necessary to learn and master the Algeria standard. This paper introduced the calculation principle and method of wind load in Algeria standard briefly, compared that with Chinese codes, and summarized the similarities and dissimilarities of them.

Keywordswind load, Algeria, pressure coefficient, wind-induced vibration coefficient

1引言

風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,在某些建筑結(jié)構(gòu)中甚至起主導(dǎo)作用。如果結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)不恰當(dāng),可能會(huì)使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和變形,影響設(shè)備的正常使用和人的舒適度;甚至還可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部破壞,乃至整體破壞,對(duì)人的生命安全造成威脅。

隨著我國建筑施工單位的業(yè)務(wù)不斷國際化,以阿爾及利亞為代表的非洲建筑市場得到了越來越多的關(guān)注。阿爾及利亞位于非洲西北部,北臨地中海,是非洲第四大經(jīng)濟(jì)體。2005年來,阿爾及利亞一直在大力進(jìn)行大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);近年來,我國企業(yè)在阿爾及利亞建筑市場中的份額不斷擴(kuò)大,項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模不斷增大;因此,了解阿爾及利亞的風(fēng)荷載計(jì)算方法及其原理是非常有必要的。

本文以阿爾及利亞康斯坦丁萬豪酒店項(xiàng)目為背景,簡要介紹了阿爾及利亞現(xiàn)行規(guī)范[1]中關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算方法和計(jì)算原理,并與中國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GBJ 0009—2012)[2]以及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(GBJ 0135—2006)[3]的風(fēng)荷載計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。

2阿爾及利亞風(fēng)荷載計(jì)算方法

2.1　適用范圍和建筑類型

《阿爾及利亞風(fēng)雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]中關(guān)于風(fēng)荷載的內(nèi)容適用于高度在200 m以內(nèi)的一般房屋、高層建筑和倉儲(chǔ)工程,以及采用桁架式的豎直構(gòu)筑物(如鐵塔、升降機(jī)、腳手架等)。規(guī)范將建筑物分為兩類:類型Ⅰ包括所有常見的房屋建筑(如工業(yè)廠房、民用建筑等)和倉儲(chǔ)工程(倉庫、水塔、貯藏塔等);類型Ⅱ主要是指高壓線鐵塔、升降機(jī)、腳手架等鏤空桁架結(jié)構(gòu)和煙囪等高聳結(jié)構(gòu)。

對(duì)于類型Ⅰ的建筑,風(fēng)壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式如下:

(1)

式中,Cd為動(dòng)力系數(shù);Ce為高度為z處的感風(fēng)系數(shù);Cpe為外部壓力系數(shù);Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù);qref為基本風(fēng)壓,根據(jù)風(fēng)區(qū)取值。

對(duì)于類型Ⅱ的建筑,風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式如下:

(2)

式中,Cfj為總壓力系數(shù);其余參數(shù)的意義和式(1)完全一致。

在我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB20009—2012)[1]中,風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式如下:

(3)

式中,wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;βz為風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0為基本風(fēng)壓。

對(duì)比式(1)-式(3)可以發(fā)現(xiàn),阿爾及利亞規(guī)范和我國規(guī)范關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算方式和參數(shù)定義基本相同,阿爾及利亞規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)Cd相當(dāng)于我國規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)βz,感風(fēng)系數(shù)Ce相當(dāng)于風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz,壓力系數(shù)Cpe, Cpi,Cfj對(duì)應(yīng)于體型系數(shù)μs。計(jì)算時(shí),都是用感風(fēng)系數(shù)(或高度系數(shù))對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)整,用動(dòng)力系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下的動(dòng)力響應(yīng),并采用壓力系數(shù)考慮建筑物體型的影響。下文將對(duì)計(jì)算公式中的各個(gè)參數(shù)逐一進(jìn)行對(duì)比。

2.2　基本風(fēng)壓qref

基本風(fēng)壓qref根據(jù)基本風(fēng)速計(jì)算得到,其計(jì)算公式為

(4)

式中,Vref為基本風(fēng)速;ρ為空氣的密度,取1.20 kg/m3。

根據(jù)阿爾及利亞規(guī)范的規(guī)定,各風(fēng)區(qū)的基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓取值如表1所示。

關(guān)于基本風(fēng)速的規(guī)定,阿爾及利亞規(guī)范和我國規(guī)范是相同的:基本風(fēng)速Vref規(guī)定為空曠平坦地區(qū)離地10 m高度處10 min平均最大風(fēng)速,重現(xiàn)期為50年,年超越概率為2%。阿爾及利亞規(guī)范基本風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的地貌是I類地貌。從表1可以看出,阿爾及利亞Ⅰ區(qū)(如地中海南岸的阿爾及爾)的基本風(fēng)速,和我國的重慶市基本相當(dāng)。

表1基本風(fēng)壓和基本風(fēng)速取值表

Table 1　The value of basic wind pressure andbasic wind velocity

2.3　動(dòng)力系數(shù)Cd

阿爾及利亞規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)的取值與結(jié)構(gòu)材料以及建筑物的高度和寬度有關(guān)。對(duì)于高度200 m以下的一般房屋或煙囪,動(dòng)力系數(shù)Cd可以根據(jù)圖1確定。當(dāng)高寬比很大時(shí),無法根據(jù)圖1查詢Cd的值,此時(shí)可以采用下述公式計(jì)算:

(5)

大部分情況下Cd可直接查圖1確定,故式(5)的具體計(jì)算在此不再贅述。

圖1　動(dòng)力系數(shù)Cd值Fig 1　The value table of dynamic coefficient Cd

相比于中國規(guī)范,阿爾及利亞規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)Cd主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):首先,在實(shí)際工程中,湍流強(qiáng)度是沿高度變化的,阿爾及利亞規(guī)范為了簡化公式,將整個(gè)結(jié)構(gòu)高度的動(dòng)力系數(shù)都用基準(zhǔn)高度處的值來統(tǒng)一代表;而中國規(guī)范中,采用風(fēng)振系數(shù)βz來考慮脈動(dòng)風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng),風(fēng)振系數(shù)βz沿高度是變化的。其次,阿爾及利亞規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)不僅考慮了湍流產(chǎn)生的共振,還考慮了結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓力不完全相關(guān)引起的減弱效應(yīng),因此其值可能小于1,尤其是高寬比較小的結(jié)構(gòu),其動(dòng)力系數(shù)一般小于1;而我國規(guī)范中,風(fēng)振系數(shù)一般都大于1。

2.4　感風(fēng)系數(shù)Ce

感風(fēng)系數(shù)Ce是考慮地面粗糙度、場地因素和地面高度等因素的一個(gè)參數(shù),當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力激發(fā)不敏感時(shí),其計(jì)算公式如下:

(6)

式中,KT為由地面粗糙度類別決定的常數(shù);Cr為粗糙度系數(shù);Ct為地形系數(shù);z為參考點(diǎn)的高度。

當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力激發(fā)敏感時(shí),還需采用另外的公式進(jìn)行計(jì)算,此處不再贅述。

2.4.1地面粗糙度系數(shù)Cr

為了計(jì)算地面粗糙度系數(shù),首先需要對(duì)地貌類別進(jìn)行劃分。阿爾及利亞規(guī)范中對(duì)地面粗糙度的劃分如表2所示。從表2可以看出,阿爾及利亞規(guī)范和中國規(guī)范對(duì)地面粗糙度的劃分大概一致,阿爾及利亞的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類地面粗糙度分別對(duì)應(yīng)中國的A、B、C、D類地面粗糙度。

地面粗糙度系數(shù)Cr考慮了地面粗糙度類別和結(jié)構(gòu)高度對(duì)平均風(fēng)壓的影響,其計(jì)算公式如下:

式中,z0為標(biāo)準(zhǔn)高度;zmin為最小高度。式中的KT,z0和zmin可根據(jù)表3查詢得到。

從式(7)可以看出,地面粗糙度系數(shù)和我國規(guī)范中的高度系數(shù)相當(dāng),均是考慮地面粗糙度類別和結(jié)構(gòu)高度的參數(shù)。從式(6)可以看出,阿爾及利亞的風(fēng)荷載大致是和地面粗糙度系數(shù)的平方成正比關(guān)系;而從式(3)可以看出,我國的風(fēng)荷載大致是和高度系數(shù)成正比關(guān)系。圖2給出了Cr2和μz的對(duì)比關(guān)系圖,圖中CHN-A代表中國規(guī)范中A類粗糙度情況下μz與離地面高度的關(guān)系曲線,RNV-Ⅰ代表阿爾及利亞規(guī)范中Ⅰ類地面粗糙度情況下Cr2與離地面高度的關(guān)系曲線,其余類推。從圖2可以看出對(duì)應(yīng)相同的粗糙度類別,Cr2的值稍大,但兩者相差不多,說明兩國規(guī)范在考慮地面粗糙度和結(jié)構(gòu)高度對(duì)風(fēng)壓影響時(shí)采用的原則大概一致。

表2中阿規(guī)范對(duì)地面粗糙度的劃分和描述

Table 2　The classifications and descriptions of surface roughness in Chinese and Algerian Code

圖2　Cr2和μz的對(duì)比圖Fig.2　The comparison between Cr2 and μz

表3地面類型及相關(guān)系數(shù)取值

Table　The values of coefficients related tosurface roughness

2.4.2地形修正系數(shù)Ct

地形修正系數(shù)是考慮到當(dāng)風(fēng)吹過山嶺、起伏地面等障礙物時(shí),風(fēng)速會(huì)加快而引入的一個(gè)系數(shù)。地形修正系數(shù)可以按表4取值,對(duì)于高原和山嶺附近的地形,阿爾及利亞還給出了更為精確的計(jì)算公式,此處不再贅述。我國規(guī)范中,對(duì)于山區(qū)的建筑,同樣也考慮了地形修正系數(shù)η。對(duì)于山間盆地、谷地等閉塞地形外,η取值為0.75~0.85之間。其余情況下η取值均大于1。對(duì)于遠(yuǎn)海和海島建筑物,風(fēng)壓計(jì)算時(shí)也需要考慮修正系數(shù)。

表4地形系數(shù)取值

Table　The value of terrain coefficient

2.5　壓力系數(shù)

從式(1)可以看出,對(duì)于I類建筑,可以采用內(nèi)部壓力系數(shù)和外部壓力系數(shù)之差來計(jì)算總壓力系數(shù);而對(duì)于Ⅱ類建筑,規(guī)范直接給出了總的壓力系數(shù)Cf;Cf的計(jì)算需要考慮到建筑物體型以及渦流振動(dòng)等因素,計(jì)算相對(duì)復(fù)雜,此處不作介紹,下文主要介紹最為常見的I類建筑的壓力系數(shù)計(jì)算。

外部壓力系數(shù)與風(fēng)向和建筑物外部形狀等因素有關(guān),是關(guān)于受荷面積的遞減函數(shù)。阿爾及利亞規(guī)范給出了矩形建筑、圓形建筑以及不同形式的屋頂?shù)葦?shù)十種常見建筑的外部壓力系數(shù)。內(nèi)部壓力系數(shù)與建筑物門窗洞口、透風(fēng)比率有關(guān)。對(duì)于不透風(fēng)的建筑,內(nèi)部壓力系數(shù)取0。對(duì)于獨(dú)立屋頂,按最不利情況取值,內(nèi)部壓力系數(shù)取0.8和-0.5。其余情況下,內(nèi)部壓力系數(shù)的取值都可以根據(jù)建筑物形體在規(guī)范中查表得到。

阿爾及利亞規(guī)范中的內(nèi)外壓力系數(shù)之差Cpe-Cpi,相當(dāng)于我國規(guī)范中的體型系數(shù)μs。圖3給出了最為典型的雙坡屋頂封閉廠房的體型系數(shù)對(duì)比。從圖3可以看出,阿爾及利亞規(guī)范中將雙坡屋頂劃分為5個(gè)區(qū)域,并按照每15°的坡度給出了各個(gè)區(qū)域的外部壓力系數(shù),比我國規(guī)范要細(xì)致一些;但兩國規(guī)范的體型系數(shù)取值差異不大。圖4給出了典型的穹頂體型系數(shù)的對(duì)比。通過圖4可以發(fā)現(xiàn)兩國規(guī)范對(duì)于穹頂結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)取值也是大致相同的。

3具體算例

下面以康斯坦丁萬豪酒店鋼結(jié)構(gòu)穹頂為例,比較阿爾及利亞規(guī)范中的風(fēng)荷載和我國風(fēng)荷載計(jì)算的異同。萬豪酒店鋼屋頂是一個(gè)圓形穹頂結(jié)構(gòu),其東西向?qū)挾葹?6.5 m,南北向?qū)挾葹?6.5 m,最大跨度16.5 m,最大矢高約為13 m。具體尺寸詳見圖5。結(jié)構(gòu)基本周期為0.237 9 s。

表5給出了按照阿爾及利亞規(guī)范計(jì)算穹頂風(fēng)荷載的計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果。表6給出了按照我國荷載規(guī)范計(jì)算穹頂風(fēng)荷載的計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果。計(jì)算時(shí),假定該穹頂位于上海,地面粗糙度類別為B類。對(duì)比表5和表6可以看出,康斯坦丁的風(fēng)荷載和上海地區(qū)大致相當(dāng)。

4結(jié)論

綜上所述,可以得出如下結(jié)論:

圖3　雙坡屋頂封閉廠房的μs和Cpe的取值對(duì)比Fig 3　The pressure coefficients of enclosed workshop with gable roof μs and Cpe

(1)《阿爾及利亞風(fēng)雪荷載規(guī)范》與我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算方法基本相同,都是采用基本風(fēng)壓與感風(fēng)系數(shù)(或風(fēng)壓高度變化系數(shù))、動(dòng)力系數(shù)以及體型系數(shù)相乘達(dá)到。

(2) 兩國規(guī)范在基本風(fēng)速的定義、地面類型的劃分、地形系數(shù)的計(jì)算上是基本一致的,僅具體取值存在差異。

圖4　穹頂結(jié)構(gòu)的μs和Cpe的取值對(duì)比Fig 4　The pressure coefficients of doom μs and Cpe

(3) 對(duì)于大多數(shù)情況,阿爾及利亞規(guī)范采用了內(nèi)部壓力系數(shù)和外部壓力系數(shù)之差來考慮建筑體型的影響;我國則采用統(tǒng)一的體型系數(shù)?！栋柤袄麃嗭L(fēng)雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]對(duì)應(yīng)不同的建筑體型,分別采用壓力系數(shù)和力系數(shù)的形式來考慮建筑物橫斷面形狀對(duì)風(fēng)荷載的影響,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[2]中則采用體型系數(shù)。

(4) 《阿爾及利亞風(fēng)雪荷載規(guī)范》(D.T.R.C 2—47)[3]中的動(dòng)力系數(shù)不僅考慮了湍流產(chǎn)生的共振,還考慮了結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓力不完全相關(guān)引起的減弱效應(yīng),因此其取值可能小于1,且該參數(shù)采用基準(zhǔn)高度處的值統(tǒng)一表示。而我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]中,風(fēng)振系數(shù)取值一般大于1,并且沿高度是變化的。

(5) 具體算例表明,相同地形地貌情況下的穹頂建筑,按阿爾及利亞康斯坦丁地區(qū)計(jì)算和按上海地區(qū)計(jì)算得到的總風(fēng)荷載基本相當(dāng)。

圖5　萬豪酒店鋼屋蓋立面圖Fig 5　The elevation drawing of the steel roof ofHOTEL CONSTANTINE

表5穹頂風(fēng)荷載計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果(按照阿爾及利亞規(guī)范計(jì)算)

Table 5　Wind load of the doom (according to Algirian code)

表6穹頂風(fēng)荷載計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果(按照中國規(guī)范計(jì)算)

Table 6　Wind load of the doom (according to Chinese code)

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收稿日期：2014-10-26

*聯(lián)系作者， Email:guo-xiao-nong@#edu