曲鵬

（上海電氣電站工程公司，上海 201199）

1 引言

近年來，上海電氣電站工程公司作為總承包方承接了多項海外燃煤、燃油、燃氣火力發(fā)電項目。很多項目要求采用美國規(guī)范作為設計標準，部分項目可以采用中國規(guī)范設計，但業(yè)主提供的風荷載參數等輸入條件是基于美國規(guī)范提出的。在項目的設計過程中，經常遇到由于中國規(guī)范和美國規(guī)范規(guī)定差異導致的風荷載參數取值不同給工程結構設計帶來的困擾[1]。為了適應海外工程的設計需要，了解中國規(guī)范與美國規(guī)范關于風荷載設計規(guī)定的差異是十分必要的。本文基于中國規(guī)范GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》[2]和美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[3]，對基本風速、基本風壓和風速壓力、風荷載標準值和風荷載設計壓力、地面粗糙度類別和暴露類別、風荷載體型系數和風壓系數、最小風壓等風荷載設計規(guī)定做了對比研究。

2 基本風速

中國和美國風荷載設計規(guī)范在確定基本風速時，選取的均是年最大風速，并且選取的年最大風速概率分布類型是一致的，均為極值I 型分布曲線[4]。中國規(guī)范GB 50009—2012 條款8.1.2 指出，基本風速是高度10 m 處、地面粗糙度類別B 類的10 min 陣風風速，重現期為50 年。美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10 的26.3 節(jié)術語和符號解釋中給出基本風速是高度10 m處、暴露類別C 類的3 s 陣風風速。ASCE/SEI 7-10 條款26.5.1指出，基本風速的重現期按不同的結構安全等級采用300 年、700 年、1 700 年不同的重現期。

離地面越近，風能量受地表障礙物的影響產生的損耗就越大，因而風速就越??；反之離地越高，則風能量損耗就越少，風速也就越大。因此，必須規(guī)定一個標準高度以便于計算和比較[5]。中美規(guī)范對標準高度的規(guī)定是一致的，均為10 m?；撅L速在這兩個規(guī)范之間相互轉換時，可不必考慮標準高度的影響。

地表越粗糙風能量損耗就越大，因而風速就越小。地面粗糙度越小，風速就越高。因此，需要為風速規(guī)定一個共同的地貌標準。GB 50009—2012 中基本風速定義選用的地面粗糙度為B 類。ASCE/SEI 7-10 中基本風速的定義是以C 類暴露類別為標準。兩國規(guī)范均按照地面情形劃分了地面粗糙度類別，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 類近似于GB 50009—2012 的B類，兩國規(guī)范基本風速取值時選用的地表類別基本一致。

平均風速時距，是用以表征觀測和統計風速時規(guī)定的時間間隔。平均風速時距越短，記錄得到的平均最大風速越大。GB 50009—2012 規(guī)定的風速時距為10 min。ASCE/SEI 7-10是以3 s 陣風風速作為平均風速的樣本，即時距取為3 s。當進行中國規(guī)范和美國規(guī)范基本風速轉換時，需要對此重點考慮，即計算時需要換算成同一時距下的基本風速。

重現期是指連續(xù)兩次超過規(guī)定值的時間間隔，中美兩國規(guī)范對基本風速重現期的選擇不同。GB 50009—2012 規(guī)定風速重現期為50 年。ASCE/SEI 7-10 規(guī)定基本風速的重現期按不同的結構安全等級采用300 年、700 年、1 700 年不同的重現期。在進行基本風速轉換時需考慮此因素影響。

3 基本風壓和風速壓力

GB 50009—2012 附錄E.2.4 提出基本風壓按式（1）確定：

式中，ρ為空氣密度；v為基本風速。

ASCE/SEI 7-10 條款27.3.2 給出風速壓力為：

式中，Kz為高度z處風速壓力暴露系數；Kzt為地形系數；Kd為風向系數。

ASCE/SEI 7-10 中沒有基本風壓的概念，但是ASCE/SEI 7-10 給出了風速壓力的概念。風速壓力相當于在基本風壓的基礎上考慮了風速壓力暴露系數、地形系數和風向系數的影響。其中，風向系數Kd中國規(guī)范沒有對應的系數，風速壓力暴露系數Kz相當于中國規(guī)范的風壓高度變化系數，中國規(guī)范對風壓高度變化系數的地形修正系數相當于美國規(guī)范中地形系數Kzt。

4 風荷載標準值和風荷載設計壓力

GB 50009—2012 條款8.1.1 指出，主要承重結構的風荷載標準值為：

式中，βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓。

ASCE/SEI 7-10 第27 章給出建筑主要抗風體系的風荷載方向設計法，該方法又分為一般方向設計法和簡化的方向設計法。根據結構的封閉程度、剛度、高度和不同的部位采用不同的表達式計算。例如ASCE/SEI 7-10 條款27.4.1 給出，封閉和半封閉剛性建筑的風荷載設計壓力為：

式中，q和qi為風速外壓力和內壓力；G為陣風影響系數，相當于中國規(guī)范的風振系數；Cp為外壓系數，相當于中國規(guī)范的風荷載體型系數；GCpi為內壓系數，中國規(guī)范沒有此概念。ASCE/SEI 7-10 第28 章給出風荷載的包絡設計法，僅適用于封閉或半封閉的低層建筑物主要抗風體系的風荷載計算。第29 章給出其他類型結構及建筑附屬物的主要抗風體系的風荷載計算方法。第30 章給出圍護結構的風荷載設計方法。

GB 50009—2012 中風荷載標準值計算較為簡單，對于很多常見的建筑外形都明確地標明了風荷載體型系數。而ASCE/SEI 7-10 中風荷載設計壓力計算較為煩瑣，分類較為細致，根據不同的結構給出了不同的設計公式，并且為便于實際設計，對一些常用結構給出了簡化的計算方法。ASCE/SEI 7-10規(guī)范中無風荷載標準值的計算公式，其給出的是對應于設計值的風荷載設計壓力計算，其對應的荷載組合系數為1.0。ASCE/SEI 7-10 考慮建筑物內部風壓，引入了內部風壓系數，而GB 50009—2012 僅在驗算圍護構件強度時，規(guī)定了內表面局部風壓體型系數。

5 地面粗糙度類別和暴露類別

GB 50009—2012 條款8.2.1 指出地面粗糙度可分為4 類：A、B、C、D。A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D 類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。確定了地面粗糙度類別后，便可根據GB 50009—2012 表8.2.1 確定風壓高度變化系數。

ASCE/SEI 7-10 條款26.7.2 指出了地面粗糙度類別的劃分。B 類指城鎮(zhèn)和城市郊區(qū)、樹林或具有大量密布的不小于單一家庭住宅面積的障礙物的區(qū)域。C 類指具有高度小于9.15 m的稀疏障礙物的空曠區(qū)域，包括平坦的鄉(xiāng)村、草場。D 類指平坦、無遮攔的區(qū)域，水面，包括平坦的海濱泥灘、鹽漬灘、未破壞的冰區(qū)。

ASCE/SEI 7-10 條款26.7.2 同時指出，定義地面粗糙度類別的目的是用于按照26.7.3 節(jié)的準則劃定場地的暴露類別。暴露類別B 是指對于平均屋頂高度不大于9.15 m 的建筑物，在其上風向至少457 m 范圍內的地面粗糙度以B 類為主的地貌；對于平均屋頂高度大于9.15 m 的建筑物，在其上風向至少792 m 或20 倍該建筑物高度（二者取大值）范圍內的地面粗糙度以B 類為主的地貌。暴露類別C 用于暴露類別B 和D 不能應用的其他所有情況。暴露類別D 是指在其上風向至少792 m或20 倍該建筑物高度（二者取大值）范圍內的地面粗糙度以D 類為主的地貌。確定了暴露類別之后，可以通過規(guī)范表格查找風速壓力暴露系數Kz。

兩國規(guī)范均按照地面情形劃分了地面粗糙度類別，其中，ASCE/SEI 7-10 的C 類近似于GB 50009—2012 的B 類。GB 50009—2012 依據地面粗糙度類別便可確定風壓高度變化系數；ASCE/SEI 7-10 是根據暴露類別來確定風速壓力暴露系數，地面粗糙度僅用于確定暴露類別，并不直接用于確定風速壓力暴露系數的大小。GB 50009—2012 對于主抗風系統和維護結構的風壓高度變化系數均按照相同表格取值；ASCE/SEI 7-10 按照不同的結構類型分別查找不同的表格取值風速壓力暴露系數。

6 風荷載體型系數和風壓系數

GB 50009—2012 條款8.3.1 指出，房屋和構筑物的風荷載體型系數可依據表8.3.1 采用，當結構體型與表中不同或對于重要且體型復雜的房屋和構筑物，由風洞試驗確定。

ASCE/SEI 7-10 條款27.4.1、27.4.2 指出，對于封閉、半封閉的剛性和柔性結構，在計算主抗風系統時的外部風壓系數通過查表27.4-1～ 表27.4-3 確定（此處所述圖表編號指ASCE/SEI 7-10 中的圖表編號，并非本文圖表編號，下文類同）。ASCE/SEI 7-10 條款27.4.3 指出，對于開放結構，在計算主抗風系統時的風壓系數通過查表27.4-4～ 表27.4-7 確定。ASCE/SEI 7-10 條款28.4 指出，對于封閉或半封閉的低矮結構，風壓系數GCpf通過查圖28.4-1 確定。此時陣風系數和外部風壓系數合并成一個系數，并且不允許被分開。ASCE/SEI 7-10 條款29.3.2 指出，對于自由墻體，風壓系數Cf通過查圖29.4-1 確定；對于煙囪、罐體和屋面設備，風壓系數Cf通過查圖29.5-1 確定；對于開放標示牌、格構式框架，風壓系數Cf通過查圖29.5-2 確定。ASCE/SEI 7-10 條款30.4.2 指出，對于圍護結構的外部風壓系數，查圖30.4-1～圖30.4-7 確定。

兩國標準都規(guī)定了對于體型復雜的重要結構，或者沒有相關資料為依據的情況下，應由風洞試驗來確定體型系數和風壓系數。ASCE/SEI 7-10 在確定封閉或半封閉的低矮結構以及圍護結構的外部風壓系數時，將各受風面細分為若干風壓區(qū)，不同分區(qū)采用不同風壓系數；中國規(guī)范沒有對受風面進行分區(qū)。ASCE/SEI 7-10 考慮了建筑物內部風壓，引入了內部風壓系數；中國規(guī)范僅在驗算維護構件強度時規(guī)定了內表面局部風壓體型系數。ASCE/SEI 7-10 對于高度小于48.8 m 且具有簡單外形的結構，不再規(guī)定單獨的外部風壓系數，而是直接提供表格計算受風面的風壓力；對于封閉或半封閉的低矮結構，外部風壓系數和陣風系數合并成一個系數，并且不允許被分開；中國規(guī)范中各受風面則始終有體型系數。

7 最小風壓

GB 50009—2012 和ASCE/SEI 7-10 對于最小風壓值規(guī)定不同。GB 50009—2012 條款8.1.2 提出基本風壓不得小于0.3 kN/m2。ASCE/SEI 7-10 條款27.4.7 及條款28.4.4 提出設計主抗風系統的最小風荷載設計壓力不小于0.77 kN/m2乘以垂直風荷載方向的墻面面積與0.38 kN/m2乘以屋面豎直投影面積兩者之和。ASCE/SEI 7-10 的29.8 節(jié)提出其他結構的最小風荷載設計壓力不小于0.77 kN/m2乘以結構在垂直風荷載方向的面積或投影面積。

8 結語

本文基于中國規(guī)范GB 50009—2012 《建筑結構荷載規(guī)范》 和美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures，對風荷載設計規(guī)定做了對比研究。通過對比研究發(fā)現，在基本風速定義、基本風壓和風速壓力計算、風荷載標準值和風荷載設計壓力計算、地面粗糙度類別和暴露類別定義、風荷載體型系數和風壓系數取值、最小風壓取值等方面，兩國規(guī)范規(guī)定均存在顯著差異。在涉外項目的結構設計過程中，設計人員需要對這些差異給予足夠的重視。