中國(guó)與阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載作用比較

劉天英，錢永豐，姜 雪

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

隨著國(guó)際業(yè)務(wù)拓展，國(guó)內(nèi)工程公司已經(jīng)開始在阿爾及利亞執(zhí)行項(xiàng)目。項(xiàng)目風(fēng)載參數(shù)源自阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)，阿爾及利亞業(yè)主工程師也參與項(xiàng)目。阿爾及利亞業(yè)主工程師熟悉阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱阿標(biāo))，不了解中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱中標(biāo))，中國(guó)工程設(shè)計(jì)人員不了解阿標(biāo)，這就阻礙圖紙確認(rèn)。為便于交流并順利執(zhí)行項(xiàng)目，有必要了解阿標(biāo)。風(fēng)載是作用在建(構(gòu))筑物上的基本荷載，常對(duì)建(構(gòu))筑物的安全起控制作用。風(fēng)載又可以進(jìn)一步細(xì)分為順風(fēng)向風(fēng)載(平行于風(fēng)向)、橫風(fēng)向風(fēng)載(垂直于風(fēng)向)和扭轉(zhuǎn)風(fēng)載。順風(fēng)向風(fēng)載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常遇到，本文重點(diǎn)對(duì)比中阿標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載計(jì)算。

1 順風(fēng)向風(fēng)載

阿標(biāo) D．T．R．C 2-4．7—1999《阿爾及利亞風(fēng)雪荷載規(guī)范》將結(jié)構(gòu)分為2類:類型Ⅰ包括常見建筑物(住宅、行政、學(xué)校、衛(wèi)生、禮拜等建筑)及倉(cāng)貯建筑(水庫(kù)、水塔、貯倉(cāng)等);類型Ⅱ包括輸電塔、升降機(jī)、腳手腳等垂直桁架結(jié)構(gòu)和煙囪等高聳結(jié)構(gòu)。

建筑物標(biāo)高Zj風(fēng)壓力標(biāo)準(zhǔn)值qj計(jì)算公式，類型Ⅰ結(jié)構(gòu)為:

類型Ⅱ結(jié)構(gòu)為:

式中:qref為參考平均風(fēng)速壓力;Ce為暴露系數(shù);Cd為動(dòng)力系數(shù);Cpe為外部壓力系數(shù);Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù);Cfj為總壓力系數(shù)。

本文重點(diǎn)討論類型Ⅰ結(jié)構(gòu)的風(fēng)載計(jì)算，類型Ⅱ結(jié)構(gòu)風(fēng)載計(jì)算詳見 D．T．R．C 2-4．7—1999。當(dāng)建筑d/b≥3或d/h≥3時(shí)，要考慮風(fēng)的摩擦力，d為平行于風(fēng)向的建筑平面尺寸，b為垂直于風(fēng)向的建筑平面尺寸，h為建筑高度。為便于與中標(biāo)比較，對(duì)于封閉建筑，不考慮風(fēng)的摩擦力和內(nèi)壓，僅對(duì)中阿標(biāo)準(zhǔn)的外部壓力進(jìn)行比較。阿標(biāo)qref、qj的計(jì)算如下。

式中:ρ為空氣密度，取 1．20 kg/m3;Vref為基本風(fēng)速。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對(duì)于順風(fēng)向風(fēng)載荷的計(jì)算見參考文獻(xiàn)［1］。

從中阿標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)壓公式中可以看出，風(fēng)壓均在基本風(fēng)速平方的基礎(chǔ)上乘以一系列系數(shù)得到。由于中阿標(biāo)準(zhǔn)空氣密度取值不同，前面的數(shù)值系數(shù)差值略有差別。雖然其他的系數(shù)在表達(dá)形式上有一定區(qū)別，但從定義上看中阿標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載參數(shù)之間有大致對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表 1［2］。

在工程應(yīng)用中，因風(fēng)速沿高度變化，將結(jié)構(gòu)沿高度分為若干水平段。對(duì)于建筑物，阿標(biāo)分為2種情況:當(dāng)建筑高度h≤10 m時(shí)，作為一段考慮;當(dāng)h＞10 m時(shí)，根據(jù)建筑層數(shù)分為多段。結(jié)構(gòu)分段情況見圖1，情況1采用屋頂高度處風(fēng)載參數(shù)計(jì)算，情況2每段風(fēng)載采用其高度處風(fēng)載參數(shù)計(jì)算。中標(biāo)條款中沒有對(duì)分段高度做出規(guī)定，在工程上一般采用結(jié)合建筑層高并不大于10 m作為分段高度。為便于比較，算例中阿標(biāo)與中標(biāo)分段原則一致。

表1 中阿標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 阿標(biāo)結(jié)構(gòu)分段示意

2 基本風(fēng)速

根據(jù)中標(biāo)基本風(fēng)壓的定義，可以推出基本風(fēng)速v0為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛?地面粗糙度B類)上10 m高度處50年一遇10 min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。阿標(biāo)基本風(fēng)速Vref定義與中標(biāo)基本相同，為年超越概率0．02(平均重現(xiàn)期50年)當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛?地面粗糙度Ⅰ類)上10 m高度處10 min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。除地面粗糙度外，中阿標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速的定義基本相同［3］。

阿標(biāo)根據(jù)建筑的使用年限將建筑物分為2類:永久性建筑(使用期超過5年)和臨時(shí)性建筑(使用期少于5年)，采用不同的基本風(fēng)速，臨時(shí)性建筑基本風(fēng)速在永久性建筑的基礎(chǔ)上折減15%。阿標(biāo)將全國(guó)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)風(fēng)壓區(qū)，各區(qū)永久建筑和臨時(shí)建筑的基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓見表2。

3 基本風(fēng)壓系數(shù)

3．1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

大氣邊界層風(fēng)速隨離地面高度增加而增大，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律主要取決于地面粗糙度［4］。中標(biāo)地面粗糙度分為A、B、C、D 4類，采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz來體現(xiàn)風(fēng)壓變化，本質(zhì)上體現(xiàn)不同粗糙度地面風(fēng)速隨高度變化規(guī)律。在確定城區(qū)地面粗糙度類別時(shí)，中標(biāo)以擬建房2 km為半徑的迎風(fēng)半圓影響范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風(fēng)向原則上以該地區(qū)最大風(fēng)的風(fēng)向?yàn)闇?zhǔn)，也可以取其主導(dǎo)風(fēng)向。以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度ha劃分地面粗糙度類別，ha≥18 m，為D類;9 m＜ha＜18 m，為C類;ha≤9 m，為B類。中標(biāo)風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz隨離地高度及地面粗糙度類別不同取值，詳見GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范。當(dāng)達(dá)到梯度風(fēng)高度以上時(shí)，μz值不再變化。A類地面粗糙度梯度風(fēng)高度為300 m，對(duì)于B、C、D類地面，分別為350 m、450 m、550 m。中標(biāo)列出550 m以上的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，沒有對(duì)建筑物的適用高度提出要求。

阿標(biāo)在應(yīng)用范圍中規(guī)定該標(biāo)準(zhǔn)適用于最大高度200 m的建筑，通過暴露系數(shù)ce(Z)體現(xiàn)速度壓隨高度的變化。Z高度處暴露系數(shù)為:

式中:Cr(Z)為粗糙系數(shù);Ct(Z)為地形系數(shù);KT為地面系數(shù)。對(duì)于平坦地區(qū)，地形系數(shù)Ct(Z)可取1．0。粗糙度系數(shù)Cr(Z)取決于結(jié)構(gòu)所處高度及所處位置的地面粗糙度，阿標(biāo)基于對(duì)數(shù)風(fēng)速剖面，Cr(Z)計(jì)算式為:

式中:KT為地面系數(shù);Z0為摩擦長(zhǎng)度;Zmin為最小高度。

阿標(biāo)將地形類別分為4類，KT、Z0及Zmin依賴地形類別，相應(yīng)值見表3。

表3 阿標(biāo)4類地形KT、Z0、Zmin取值

要想實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)間參數(shù)間的換算和比較，就要找到中國(guó)與阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在同一粗糙度條件下進(jìn)行對(duì)比。中標(biāo)地面粗糙度分為A、B、C、D4類，阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4類。根據(jù)中國(guó)與阿爾及利亞標(biāo)準(zhǔn)的描述，地面粗糙度類別的劃分有一定區(qū)別，但也有近似對(duì)應(yīng)關(guān)系，近似對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 中阿標(biāo)準(zhǔn)地形類別對(duì)比表

中標(biāo)基本風(fēng)速基于B類地形，阿標(biāo)基本風(fēng)速基于Ⅰ類地形。中阿標(biāo)準(zhǔn)地形劃分基于簡(jiǎn)單描述，缺乏定量的數(shù)據(jù)，為保證工程安全，相互轉(zhuǎn)換過程中要進(jìn)行一定的處理。從中標(biāo)表8．2．1來看，10 m高度A類地面基本風(fēng)壓為1．28倍B類地面基本風(fēng)壓，則10 m高度A類地面基本風(fēng)速為1．13倍B類地面基本風(fēng)速。作為基本風(fēng)速中阿標(biāo)準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)化，具體設(shè)計(jì)時(shí)可以這樣處理，如果由阿標(biāo)向中標(biāo)轉(zhuǎn)換，直接由阿標(biāo)的基本風(fēng)速作為中標(biāo)的基本風(fēng)速，這樣偏保守。如果由中標(biāo)向阿標(biāo)轉(zhuǎn)換，中標(biāo)B類地面基本風(fēng)速應(yīng)乘以1．13倍后轉(zhuǎn)換為A類地面基本風(fēng)速，再等同于阿標(biāo)的Ⅰ類地面基本風(fēng)速。

3．2 體型系數(shù)

中標(biāo)風(fēng)荷載體型系數(shù)實(shí)際就是面上平均風(fēng)壓系數(shù)，GB 50009—2012詳細(xì)列出不同類型的建(構(gòu))筑物體型及其體型系數(shù)μs。對(duì)于小于45 m常規(guī)矩形截面建筑物的體型系數(shù)，迎風(fēng)面為+0．8，背風(fēng)面－0．5。對(duì)于超過45 m的矩形截面建筑物體型系數(shù)，還與矩形的長(zhǎng)寬比有關(guān)。迎風(fēng)面一直為+0．8，但背風(fēng)面體型系數(shù)隨長(zhǎng)寬比(d/b)變化而變化，寬度b指迎風(fēng)面的寬度。無論建筑多高，建筑兩側(cè)墻均為－0．7。

阿標(biāo)壓力系數(shù)Cp的值與符號(hào)由結(jié)構(gòu)的表面位置(前面、后面、側(cè)面等)決定，正值表示壓力，負(fù)值表示吸力。對(duì)于矩形橫截面的建筑，不同位置風(fēng)壓分區(qū)見圖2，圖中參數(shù)e取b或2h兩者中的小值。

圖2 阿標(biāo)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓區(qū)

根據(jù)表面積大小，阿標(biāo)定義兩套外部壓力系數(shù)。表面積為1．0 m2或更小采用 Cpe，1，表面積為10 m2或更大采用Cpe，10。對(duì)于1 m2和10 m2之間表面積，Cpe值通過對(duì)數(shù)內(nèi)插決定:

式中S為表面積。通常情況下，Cpe，1用于計(jì)算非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的風(fēng)載，Ce，10用于計(jì)算主要結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)載，Cpe，1和 Cpe，10取值見表 5，中間值進(jìn)行線性內(nèi)插。

表5 阿標(biāo)矩形截面建筑外部壓力系數(shù)

3．3 風(fēng)振系數(shù)

中標(biāo)規(guī)定對(duì)于高度大于30 m且高寬比大于1．5的房屋，以及基本自振周期T1大于0．25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，采用風(fēng)振系數(shù)法計(jì)算順風(fēng)向風(fēng)載。風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算見文獻(xiàn)［1］。

阿標(biāo)沒有明確考慮風(fēng)載動(dòng)力效應(yīng)的條件，所有結(jié)構(gòu)都要考慮，動(dòng)力系數(shù)Cd由結(jié)構(gòu)的類型(混凝土或鋼結(jié)構(gòu))、結(jié)構(gòu)高度和寬度決定，該標(biāo)準(zhǔn)考慮作用在結(jié)構(gòu)表面壓力相關(guān)缺乏的折減效應(yīng)以及因?yàn)橥牧黝l率接近結(jié)構(gòu)頻率的放大效應(yīng)。對(duì)于高度200 m以下的一般房屋或煙囪，動(dòng)力系數(shù)Cd可在D．T．R．C 2-4．7—1999中查找，能滿足大部分工程需求。當(dāng)高寬比很大時(shí)，Cd值可采用公式(9)計(jì)算:

式中:Zeq為建筑等效高度(m);Iv(Zeq)為等效高度處的湍流強(qiáng)度為脈動(dòng)風(fēng)荷載的準(zhǔn)靜態(tài)因子;為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振因子;g為峰值因子。對(duì)于一般建筑類，Zeq取0．6h和Zmin的較大值。

可以看出，中標(biāo)考慮湍流系數(shù)以及共振系數(shù)的影響，順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)總是大于1．0。阿標(biāo)動(dòng)力系數(shù)Cd主要考慮共振的影響，湍流效應(yīng)在暴露系數(shù)Ce(z)中考慮。阿標(biāo)系數(shù)Cd由于考慮結(jié)構(gòu)表面峰值風(fēng)壓非同時(shí)發(fā)生的減弱效應(yīng)，該系數(shù)可小于1．0。中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)沿高度方向增大，而阿標(biāo)在整個(gè)結(jié)構(gòu)高度上風(fēng)載采用一個(gè)Cd值計(jì)算。

4 算例

算例1:某永久建筑為鋼結(jié)構(gòu)支撐框架，金屬墻板封閉。平面尺寸為30 m×30 m，層高3．33 m，共30層，總高度為100 m。地形平坦，阿標(biāo)基本風(fēng)速為28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度類別為Ⅱ類，動(dòng)力系數(shù)Cd=1．02。對(duì)應(yīng)中標(biāo)的粗糙度類別B類，結(jié)構(gòu)基本自振周期3．75 s。中標(biāo)規(guī)定，對(duì)于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)適當(dāng)提高，承載力設(shè)計(jì)時(shí)可按基本風(fēng)壓1．1倍采用。中標(biāo) ω0=0．49 kN/m2，考慮 1．1 倍系數(shù)為0．54 kN/m2。為便于計(jì)算，中阿標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)均采用10 m一段，中標(biāo)與阿標(biāo)動(dòng)力系數(shù)對(duì)比見圖3，分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比見圖4。

圖3 中標(biāo)與阿標(biāo)動(dòng)力系數(shù)對(duì)比

圖4 中標(biāo)與阿標(biāo)分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比

算例2:某封閉永久建筑為鋼筋混凝土框架。平面尺寸為20 m×20 m，共4層，下部3層層高3．33 m，頂層層高4 m，總高度為14 m。地形平坦，阿標(biāo)基本風(fēng)速為28 m/s。Ct(Z)=1．0，粗糙度類別為Ⅱ類，動(dòng)力系數(shù)Cd=0．94。對(duì)應(yīng)中標(biāo)的粗糙度類別B類，根據(jù)相關(guān)條款，中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)βz=1．0。為便于計(jì)算，中標(biāo)總高14 m分為兩段，下部10 m及上部4 m。根據(jù)阿標(biāo)計(jì)算風(fēng)載的分段原則，按一段考慮，共14 m高?；谥邪?biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載計(jì)算對(duì)比見表6。

5 結(jié)論

a．除基于的場(chǎng)地類別外，中標(biāo)基本風(fēng)速的定義與阿標(biāo)參考風(fēng)速基本值定義一致。中標(biāo)基本風(fēng)速基于B類地形，阿標(biāo)基本風(fēng)速基于Ⅰ類地形，二者不對(duì)應(yīng)。

b．對(duì)于常規(guī)矩形截面建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面，中標(biāo)風(fēng)載體型系數(shù)與阿標(biāo)的壓力系數(shù)相近，阿標(biāo)無論多高，該系數(shù)均與高寬比無關(guān)，而中標(biāo)建筑高度大于45 m時(shí)與長(zhǎng)寬比有關(guān)。建筑側(cè)面中標(biāo)僅有一個(gè)風(fēng)壓分區(qū)，阿標(biāo)根據(jù)建筑長(zhǎng)寬比不同分出一到三個(gè)區(qū)，系數(shù)取值中國(guó)和阿爾及利亞相差較大。

表6 中阿風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比

c．阿標(biāo)沒有明確考慮風(fēng)載動(dòng)力效應(yīng)的條件，所有結(jié)構(gòu)都要考慮。中標(biāo)順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)總是大于1．0，而阿標(biāo)動(dòng)力系Cd可小于1．0。中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)沿高度增大，而阿標(biāo)在整個(gè)結(jié)構(gòu)高度上風(fēng)載采用一個(gè)Cd值計(jì)算。

d．中標(biāo)地面粗糙度分為 A、B、C、D 4 類，阿標(biāo)地形類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4類。大致對(duì)應(yīng)關(guān)系為中標(biāo)A類對(duì)應(yīng)阿標(biāo)Ⅰ類，B類對(duì)應(yīng)Ⅱ、Ⅲ類，C和D類對(duì)應(yīng)Ⅳ類。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系建立在粗略和定性基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)關(guān)系不絕對(duì)。為降低安全風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際工程中風(fēng)載計(jì)算應(yīng)以最安全或最保守的地形分類。

e．對(duì)于低矮的建筑，阿標(biāo)的風(fēng)載高于中標(biāo)，因阿標(biāo)暴露系數(shù)Ce(Z)考慮湍流強(qiáng)度，其取值顯著高于中標(biāo)中風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz。對(duì)于高層建筑，從地面起阿標(biāo)風(fēng)載高于中標(biāo)風(fēng)載，隨著高度增加，中阿標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載差距減小，當(dāng)建筑達(dá)到一定高度時(shí)，中標(biāo)風(fēng)載在某個(gè)高度會(huì)超過阿標(biāo)。