劉天英，丁雪濤，張之川

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

隨著中國(guó)與俄羅斯及其他一些獨(dú)聯(lián)體國(guó)家經(jīng)貿(mào)合作的日益深入，國(guó)內(nèi)工程公司開(kāi)始在這些國(guó)家和地區(qū)執(zhí)行電廠項(xiàng)目。由于設(shè)備及資金等原因，電廠工藝及土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般基于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱中標(biāo)）。項(xiàng)目設(shè)計(jì)由中國(guó)工程師完成，圖紙的校核與確認(rèn)工作由俄羅斯工程師完成，這為項(xiàng)目執(zhí)行帶來(lái)很大的障礙。俄羅斯工程師對(duì)俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱俄標(biāo)）熟悉，不了解中標(biāo)，而中國(guó)工程師正好相反。為便于中俄工程師溝通并順利執(zhí)行項(xiàng)目，了解中俄標(biāo)準(zhǔn)的異同非常必要。作為作用在建（構(gòu)）筑物上基本荷載之一的風(fēng)載，控制建（構(gòu)）筑物的安全，如果風(fēng)載取值不當(dāng)，結(jié)構(gòu)存在安全隱患以及增加工程造價(jià)的可能性。風(fēng)載可進(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，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的是順風(fēng)向風(fēng)載，因此有必要對(duì)比中俄標(biāo)準(zhǔn)順風(fēng)向風(fēng)載的計(jì)算差異，并探討對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1 順風(fēng)向風(fēng)壓

對(duì)于主要受力結(jié)構(gòu)，目前各國(guó)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值主要有兩種表達(dá)方式，其一為平均風(fēng)壓加上脈動(dòng)風(fēng)引起結(jié)構(gòu)風(fēng)振的等效風(fēng)壓；另一種為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家主要采用后一種表達(dá)式，而俄羅斯、越南等國(guó)家采用第一種表達(dá)式。

中國(guó)規(guī)范GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，順風(fēng)向荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk＝βzμsμzω0，其中βz為高度z處的風(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)；ω0為基本風(fēng)壓。公式考慮地面粗糙程度、建（構(gòu)）筑物的體型和尺寸以及建（構(gòu)）筑物自身動(dòng)力特性等因素對(duì)風(fēng)壓的影響，根據(jù)經(jīng)典的貝努利公式，基本風(fēng)壓ω0，其中ν0為基本風(fēng)速，則。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СНиП2.01.07－85＊《負(fù)載和作用力》中順風(fēng)向風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值Wk為靜力部分Ws和動(dòng)力部分Wp之和。靜力部分Ws＝W0kc，其中：k為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；c為空氣動(dòng)力系數(shù)，基本風(fēng)壓W0，v0為基本風(fēng)速。當(dāng)條件不同時(shí)，WP的表達(dá)式不同，詳見(jiàn)3.3節(jié)。WP與Ws有關(guān)，為便于對(duì)比，引入系數(shù)G，則Wp＝GWs，Wk＝Ws＋GWs＝（1＋G）Ws。為建立Wk與v0之間的關(guān)系，進(jìn)一步推導(dǎo)得出，，系數(shù)（1＋G）相當(dāng)于中標(biāo)的βz。

從中俄標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式中可以看出，風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值均是在基本風(fēng)速平方的基礎(chǔ)上乘以一系列系數(shù)得到。數(shù)值系數(shù)的不同主要是空氣密度取值不同造成的，其他系數(shù)雖然在形式上有點(diǎn)區(qū)別，但各系數(shù)之間有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 基本風(fēng)速

中標(biāo)基本風(fēng)壓：一般按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟貐^(qū)10m高度處10min平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50年一遇最大值確定的風(fēng)速，再考慮相應(yīng)的空氣密度，按經(jīng)典的貝努利公式確定的風(fēng)壓，基本風(fēng)壓，ρ為空氣密度。從基本風(fēng)壓定義可以推出ν0的定義，ν0為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟貐^(qū)（中標(biāo)地面粗糙度B類）10m 高度處50年一遇10min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。俄標(biāo)v0定義與中標(biāo)不同，為當(dāng)?shù)乜諘缙教沟貐^(qū)（俄標(biāo)地面粗糙度A 類）10m 高度處5年一遇10min內(nèi)的平均最大風(fēng)速。

中俄標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速定義主要不同有兩點(diǎn)：地面粗糙度及重現(xiàn)期。中俄標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見(jiàn)3.1節(jié)；重現(xiàn)期中國(guó)取50年，而俄羅斯取5年。風(fēng)載參數(shù)的取值雖然不同，但可以相互換算。對(duì)于不同重現(xiàn)期間基本風(fēng)速的換算，日本、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)規(guī)定以風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1［1］。

表1 重現(xiàn)期換算系數(shù)η

從表1可以看出俄羅斯基本風(fēng)速v5與中國(guó)基本風(fēng)速ν50的關(guān)系為v5＝0.793×ν50?？梢?jiàn)對(duì)于同一地區(qū)，俄標(biāo)的基本風(fēng)速為中標(biāo)基本風(fēng)速值的0.793倍。

3 基本風(fēng)壓參數(shù)

3.1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

風(fēng)速隨高度不同而變化，在不同的地形，變化規(guī)律也不相同［2］。風(fēng)速隨高度增大變化的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度。中俄標(biāo)準(zhǔn)均采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)來(lái)體現(xiàn)風(fēng)壓的變化。

中標(biāo)地面粗糙度分為A、B、C、D 四類，詳細(xì)描述見(jiàn)GB 50009—2012中8.2.1條，為便于應(yīng)用，風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值列于GB 50009—2012 表8.2.1。俄標(biāo)將地形種類分為三類，類別A：沿海海岸、湖泊和水庫(kù)、沙漠、森林草原、苔原；類別B：城郊、平均障礙物高度超過(guò)10m 的林地和其他地區(qū)；類別C：城市建筑高度超過(guò)25m 的地區(qū)。從地形類別的數(shù)量上看，中標(biāo)為四類，俄標(biāo)為三類；從字面描述上看，界限并不清晰，俄標(biāo)的A 類地形含有中標(biāo)的A 類及部分B 類，俄標(biāo)B 類與中標(biāo)B 類相當(dāng)，而俄標(biāo)C類則與中標(biāo)C、D 類接近。GB 50009—2012表8.2.1中10m 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10m 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)速中俄標(biāo)準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換，具體設(shè)計(jì)時(shí)，如果由俄標(biāo)向中標(biāo)轉(zhuǎn)換，俄標(biāo)A 類地面直接等同中標(biāo)B 類地面，這樣偏保守；如果由中標(biāo)向俄標(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，再等同于俄標(biāo)的A 類地面基本風(fēng)速。俄標(biāo)同樣采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)k表示不同地形風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律（見(jiàn)表2）。

3.2 體型系數(shù)

風(fēng)荷載體型系數(shù)可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或在建筑物實(shí)測(cè)得到，用來(lái)反映作用在建筑表面上實(shí)際壓力與速度壓的比值關(guān)系，也稱為壓力系數(shù)、力系數(shù)、空氣動(dòng)力系數(shù)等。該系數(shù)主要與建筑物的體型和尺寸有關(guān)，因此中標(biāo)稱為風(fēng)荷載體型系數(shù)，實(shí)際就是面上的加權(quán)平均壓力系數(shù)。GB 50009—2012表8.3.1中詳細(xì)列出不同類型的建（構(gòu)）筑物體型及其體型系數(shù)μs，中標(biāo)區(qū)分結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，兩個(gè)面上荷載的方向均沿著風(fēng)荷載作用的方向。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，為壓力，背風(fēng)面－0.5，為吸力；對(duì)于超過(guò)45m 的矩形截面建筑物的體型系數(shù)，還與矩形的長(zhǎng)寬比有關(guān)。

表2 俄標(biāo)風(fēng)壓高度變化系數(shù)k

與中標(biāo)風(fēng)荷載體型系數(shù)對(duì)應(yīng)的是俄標(biāo)的空氣動(dòng)力系數(shù)c，在СНиП2.01.07－85＊附件4中根據(jù)建筑物的體型和尺寸詳細(xì)列出。對(duì)于棱柱形建筑物，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，采用正面的阻力系數(shù)cx，沒(méi)有區(qū)分結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，是一個(gè)綜合數(shù)值，詳見(jiàn)其附件4中13項(xiàng)。

俄標(biāo)的空氣動(dòng)力系數(shù)c值隨建筑的高寬比、長(zhǎng)寬比及風(fēng)的進(jìn)攻角的變化而變化，考慮的因素較多。中標(biāo)低矮矩形截面建筑體型系數(shù)為定值，超過(guò)45m高的矩形截面建筑體型系數(shù)僅與長(zhǎng)寬比有關(guān)。

3.3 風(fēng)振系數(shù)

中標(biāo)給出z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz＝1＋2gI10Bz（1＋R2）1/2，其中：g 為峰值因子，取2.5；I10為10m高度名義湍流強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)A、B、C 和D 類地面粗糙度，分別取0.12、0.14、0.23和0.39；R 為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子；βz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子，βz的計(jì)算按GB 50009—2012 第8.4 節(jié)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。以下情況考慮風(fēng)振系數(shù)：對(duì)于高度大于30m 且高寬比大于1.5的房屋，基本自振周期T1大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)。

俄標(biāo)規(guī)定建在地形類別A、B 區(qū)域高度小于40 m 的多層建筑、高度小于36 m 的單層建筑且高寬比小于1.5時(shí)，風(fēng)載的脈動(dòng)分量可以忽略。如果需要考慮動(dòng)力部分，按結(jié)構(gòu)基本自振頻率f1與俄標(biāo)規(guī)定的限制頻率fL之間的相對(duì)關(guān)系，分為三種情形計(jì)算。限制頻率fL的值按表3確定，表中δ為振動(dòng)衰減值。對(duì)于混凝土、磚石結(jié)構(gòu)及帶有圍護(hù)的鋼框架結(jié)構(gòu)，δ值為0.30，限制頻率為fL1；對(duì)于塔、桅桿、鋼煙囪、帶有混凝土平臺(tái)鋼柱形設(shè)備，δ值為0.15，限制頻率為fL2。

表3 俄標(biāo)風(fēng)壓分區(qū)、風(fēng)壓值及限制頻率之間關(guān)系

a.當(dāng)結(jié)構(gòu)基本自振頻率f1大于限制頻率fL時(shí)，風(fēng)壓動(dòng)力部分Wp＝ζ×υ×Ws，其中：ζ為脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，查СНиП2.01.07－85＊中表7可得到；υ為脈動(dòng)風(fēng)空間相關(guān)系數(shù)，按俄標(biāo)6.9條計(jì)算。

c.對(duì)于剛度、質(zhì)量、迎風(fēng)面寬度不隨高度變化的高層建筑，高度Z 處風(fēng)壓的動(dòng)力部分可按下式簡(jiǎn)化計(jì)算Wp＝1.4（z/h）ζWph，式中：h 為建筑總高度；Wph為高度h 處脈動(dòng)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，Wph＝ζυWs。

中俄標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)振系數(shù)均是考慮第一振型的隨機(jī)振動(dòng)理論推導(dǎo)得出，相當(dāng)?shù)捻橈L(fēng)向風(fēng)振系數(shù)均大于1.0。雖然公式不同，均考慮了地形類別、脈動(dòng)增大、結(jié)構(gòu)共振、空間相關(guān)等因素。

4 算例

算例1，某封閉建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。平面尺寸為20m×20m，總高度20m，共6層，每層高約3.33m。位于俄標(biāo)地形類別A 類，風(fēng)壓分區(qū)為Ⅳ區(qū)，W0為0.48kN/m2，相應(yīng)的v0為28.1 m/s。對(duì)應(yīng)中標(biāo)的粗糙度類別B 類，ν0為35.4m/s，ω0為0.78kN/m2，中標(biāo)風(fēng)振系數(shù)βz＝1.0，俄標(biāo)不需要考慮脈動(dòng)風(fēng)影響。為便于計(jì)算，將總高20 m 分為2段，下部10m 及上部10m?；谥卸順?biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表4，表中S為迎風(fēng)面積，中標(biāo)的體型系數(shù)為迎風(fēng)面與背風(fēng)面矢量和。

表4 中俄風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比

算例2，某鋼結(jié)構(gòu)框架，設(shè)鋼支撐，螺栓連接，金屬墻板封閉。平面尺寸為30 m×30 m，每層高3.33m，共30層，總高度為100m。俄標(biāo)參數(shù)：地形類別A 類，風(fēng)壓分區(qū)為Ⅳ區(qū)，W0為0.48kN/m2，相應(yīng)的v0為28.1 m/s。相應(yīng)的中標(biāo)參數(shù)：地面粗糙度類別B類，ν0為35.4m/s，ω0為0.78kN/m2。結(jié)構(gòu)的基本自振周期3.75s，第一振型自振頻率為0.3 Hz。用GB 50009—2012與СНиП2.01.07－85＊分別對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，本例剛度、質(zhì)量沿高度均勻分布，采用俄標(biāo)c類用公式Wp＝1.4（z/h）ζWph，計(jì)算。為便于對(duì)比，均取10 m 一段。中俄標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖2，中俄標(biāo)準(zhǔn)分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比見(jiàn)圖3。

5 結(jié)論

圖2 中俄標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)對(duì)比

圖3 中俄標(biāo)準(zhǔn)分段點(diǎn)風(fēng)載對(duì)比

a.同一場(chǎng)地，中俄標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)壓差值很大，主要原因是中俄標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速數(shù)值不同。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速是基于50年重現(xiàn)期得出，而俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)是基于5年重現(xiàn)期得出。

b.對(duì)于常規(guī)矩形截面建筑，中俄標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)載體形系數(shù)相近。同一高度處風(fēng)振系數(shù)俄標(biāo)高于中標(biāo)，隨高度增加差值有增大趨勢(shì)。

c.無(wú)論是剛性建筑，還是風(fēng)敏柔性建筑，中標(biāo)風(fēng)載基底剪力均高于俄標(biāo)風(fēng)載基底剪力，比值在1.4以上。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，不可混用中俄標(biāo)準(zhǔn)體系。

d.雖然相同條件下中標(biāo)風(fēng)載顯著高于俄標(biāo)風(fēng)載，不可簡(jiǎn)單認(rèn)為中標(biāo)可靠度高于俄標(biāo)，還需對(duì)比抗力方面的要求。

［1］ 劉天英，齊秋平.中外規(guī)范基本風(fēng)速對(duì)比分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2012，27（12）：57－59.

［2］ 黃本才.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2001.