中美规范风荷载设计规定的比较【ppt】 .ppt

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1、中美规范风载设计规定的比较,引言,风险级别和重要性系数,结论,中美规范风载设计规定的比较,ASCE 7-10风载设计规定简介,美国新版荷载规ASCE 7-10“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”，对风荷载的设计规定进行了全面改写：,1、将风荷载的设计规定从原规范（ASCE 7-05“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”）的第6章扩充为ASCE 7-10规范的六个章节（第26章第31章）；,其中，第26章为风载计算的一般规定；第27第29章为主

2、要抗风结构体系的风载计算规定；第30章为构件和围护结构的风载计算规定；第31章为按风洞试验确定风载的相关规定。,引言,重要性级别,重要性系数,2、,3、为了与地震荷载的设计规定相一致，荷载组合中的风荷载的分项系数也由原规范的1.6改为1.0；,4、同时，正常使用极限状态设计的基本风速，也采用了不同重现期的风速，但与承载能力极限状态设计采用的风速重现期是不同的。,风险级别和重要性系数,风险级别：风险级别是基于洪水荷载、风荷载、雪荷载、覆冰荷载、地震荷载在建筑物和其他结构产生不可接受的风险，对建筑物和其他结构进行风险分级。,风险级别,重要性系数,用途类别,公众生命财产安全风险,洪水荷载,覆冰荷载,

3、地震荷载,雪荷载,风荷载,雪荷载重要性系数Is,覆冰厚度重要性系数Ii,覆冰伴随风荷载重要性系数Iw,地震重要性系数Ie,表1.关于洪水荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载、覆冰荷载的风险级建筑物和其他结构别,表2.建筑物和其他结构关于雪荷载、覆冰荷载和地震荷载的风险级别的重要性系数,注：结构构件的地震荷载重要性系数没有包含在本表中，因为它的取值是由独立构件决定的，而不是根据整体建筑和用途确定的，参见ASCE 7-10 第13.1.3条。,ASCE 7-10 风荷载设计规定简介,第26章,第27章,风荷载计算的一般规定，给出了计算风荷载的基本参数，适用于27章31章各种风荷载的计算方法,主要抗风体系

4、建筑物的风荷载计算（方向法），适用于各种高度的封闭、部分封闭、开敞建筑的风载计算的方向法（directional procedure）,第28章,第29章,主要抗风体系建筑物的风荷载计算（包络法），适用于封闭、部分封闭的低层建筑的风载计算的包络法（envelop procedure）,主要抗风体系其他结构和附属建筑物的风载计算方法,第30章,第31章,构件及围护结构(C&C)的风荷载构件及围护结构风载计算方法，根据不同高度的建筑物提供了相应的分析方法和简化方法,按风洞试验确定风载的方法,ASCE 7-10第26.1.1条规定，建筑物和其他结构（包括主要抗风体系及其构件和围护结构）的风载计算，应

5、符合第26章31章的规定。本章给出了计算风荷载的基本参数，以便与本规范中所给出的其他规定配合使用。,ASCE 7-10第26.1.1条的条文说明中指出，本规范给出的风载计算方法包括：风向和风速的确定方法，合适的阵风影响系数和压力系数的选择。同时考虑了结构可靠度的设置水平，不同暴露类别所产生的效应，风速增大或特殊地形效应，建筑物和其他结构的几何尺寸效应。计算方法中区分了柔性、刚性建筑物和其他结构，结构设计应考虑最不利荷载状态。,关于基本风速，ASCE 7-10第26.5.1条规定，ASCE 7-10中的基本风速取值为地面暴露类别为C、距地面10m高度处、时距3s的风速值。,ASCE 7-10第2

6、6.5.1条的条文说明指出：与本规范以前的版本所不同的是，ASCE 7-10针对不同风险级别的建筑物分别给出了不同的基本风速分布图并给出了不同的50年超越概率、年超越概率和平均重现期MRI（Mean Recurrence Interval），计算风载时不需再考虑重要性系数和风荷载分项系数。,ASCE 7-10第27.2节第一部分在表27.2-1给出了主要抗风体系中各种高度的封闭、部分封闭和开敞建筑物的风荷载的主要计算步骤：,第一步：按ASCE 7-10表1.5-1 确定建筑物或其他结构的风险级别,第二步：根据风险级别按图26.5-1A、B或C 确定基本风速V,第三步：确定风荷载的计算参数：按

7、26.6节和表26.6-1确定风向系数Kd；按 26.7节确定暴露类别；按 26.8节确定地形系数Kzt；按 26.9节确定阵风影响系数G（相当于中国规范的风振系数z）；按 26.10节 确定开敞程度类别；按 26.11节和表26.11-1确定内压系数(GCpi)。,第四步：按表27.3-1 确定风速压力暴露系数Kz或Kh（相当于中国规范的风压高度变化系数z）。,第五步：按式（1）确定风速压力qz或qh（相当于中国规范的zw0）：（1）式中：Kd 按26.6节确定的风向系数；Kz 按27.3.1条确定的风速压力暴露系数（相当于中国规范的风压高度变化系数z）；Kzt 按26.8.2条确定的地形系

8、数；V 按26.5节确定的基本风速；qz 为按式（1）确定的高度z处的风速压力；qh为按式（1）确定的平均屋面高度h处的风速压力。,第六步：按图27.4-1图27.4-7 确定外压系数Cp或CN（相当于中国规范风载体型系数s）。,第七步：计算建筑物各个面上的风压力p：,对于刚性建筑物按式（2）计算（2）式中：q对于迎风墙为q=qz，按地面以上高度z处的风速压力计算；对于背风墙、侧墙、屋面为q=qh，按高度h处的风速压力计算；对于封闭建筑的迎风墙、侧墙、屋面和部分封闭建筑的内部负压为q=qi，对于部分封闭建筑的正风压为qi=qz，偏于保守地也可取qi=qh；G按26.9节确定的阵风影响系数（相当

9、于中国规范的风振系数z）；Cp按图27.4-1图27.4-3确定的外压系数（相当于中国规范风载体型系数s）；GCpi为按表26.11-1确定的内压系数。,对于柔性建筑物按式（3）计算（3）式中：q、qi、Cp和GCpi的意义同前述；阵风影响系数Gf应26.9.5条确定。,对于开敞建筑物按式（4）计算（4）式中：qh平均屋面高度处的风速压力；CN净风压力系数，根据顶盖倾角、风向、所考虑的受荷情况等因素，按图27.4-427.4-7确定。,中美规范风载设计规定的比较,1、ASCE 7-10的基本风速（basic wind speed）,ASCE 7-10与先前的版本所不同的是，ASCE/SEI 7

10、-10针对不同风险级别的建筑物分别给出了不同的基本风速分布。ASCE 7-10基本风速取值为地面粗糙度类别为C类、距地面10m高度处、时距3s的风速值。,ASCE 7-10确定基本风速大小的要素中的其他个都没有变化，还是高度10处、地面粗糙度类别类的3s阵风风速，唯一的变化也是最重要的变化是50年的超越概率及其不同的重现期。,原规范ASCE 7-05,新规范ASCE 7-10,1、重要性级别和重要性系数。,1、根据建（构）筑物风灾的严重程度确定不同的风险级别，按照不同的风险级别，确定不同的基本风速。,2、正常使用极限状态与承载能力极限状态采用相同的基本风速，通过不同的荷载分项系数来调整不同极限

11、状态的风荷载值。,2、新版对两种极限状态的基本风速，采用了不同的重现期来反映其不同的要求。,3、一个地区不区分建（构）筑物的重要性级别，采用统一的基本风速值，在计算风载时再根据不同建（构）筑物的不同风灾重要性等级乘以不同的风载重要性系数。,3、取消了风载重要性等级和重要性系数，将建（构）筑物依据其遭受风灾时的损失大小划分为个风险级别，根据每个建（构）筑物的风险级别，采用不同的基本风速，从而计算出不同的基本风压。,4、承载能力极限状态各不同组合中风载的分项系数为1.6。,4、承载能力极限状态各不同组合中风载的分项系数为1.0。,原规范ASCE 7-05,新规范ASCE 7-10,5、对于正常使用

12、极限状态下风荷载的计算及其荷载组合，在原ASCE 7-05中没有明确的规定，但基本风速采用的是与承载能力极限状态一样的值，不同的是两种极限状态采用不同的风载分项系数。,5、新规范ASCE 7-10附录(Appendix C Serviceability Considerations)中增加了正常使用极限状态下风荷载的计算及其荷载组合这部分内容，给出了正常使用极限状态时的基本风速分布图。与承载能力极限状态相同的是，根据不同重现期选择不同的基本风速分布图，不同的是，重现期不是按建（构）筑物的风险级别确定的，而是由设计工程师和用户按经验和使用要求来确定的，同一风险级别的建（构）筑物可采用不同的基本风

13、速。正常使用极限状态基本风速的重现期远低于承载能力状态基本风速的重现期，分为10年、25年、50年、100年。,ASCE 7-10从基本风速的重现期由原规范的50年一遇提高到风险级别为级、级和、级的300年、700年或1700年一遇，风载一定有大幅度提高。但实质上300年、700年或1700年重现期的确定不是预先设定的，而是按照同一地区、同一类建（构）筑物由新老规范计算出的风荷载相等的原则确定的，亦即ASCE 7-10中的重现期是按照新老规范风荷载相等的原则计算出来的。在计算重现期时，将原规范中的风荷载分项系数1.6改为新规范的1.0也要考虑进去。,对于一个风险级别为级的建（构）筑物，根据新老

14、规范风载相等的原则：（5）由式（5）可得：,按Peterka and Shahid(1998)公式：（6）,则（7）式中：设计风载；与建构筑物高度、体型、自振频率等有关的综合系数；重现期为 年的风速；重现期为50年的风速；风载分项系数；重现期,将 1.6代入式（7）可得：709年，由此ASCE 7-10对级风险级别建（构）筑物，其风速重现期近似取为700年。由此可见，ASCE 7-10的基本风速重现期、风荷载分项系数都有较大变化，但实际上新老规范承载能力极限状态下的风载计算结果几乎是完全相同的。,2、GB 50009-2012 的基本风压,中国现行规范GB 50009-2012建筑结构荷载规范

15、定义的基本风压为：根据全国各气象台站历年来的最大风速记录,按基本风压的标准要求,将不同风仪高度和时次时距的年最大风速,统一换算为离地10m高,地面粗糙度为B,自记10 min平均年最大风速(m/s)。,根据该风速数据,经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速。再按贝努利（Bernoulli）公式：确定基本风压。,由于空气密度实际是个变值，中国规范统一取为：一个标准大气压下，15干空气密度1.2018，重力加速度 g=9.8，根据贝努利公式，得：,或,（8a）,（8b）,也可统一按公式（或）计算。,中国规范风荷载标准值的计算公式如下：,（9）,与美国规范ASCE 7-10中基本

16、风压的计算公式相比可知：,中美规范关于基本风速与风压之间的换算关系是基本相同的，只是基本风速的定义和取值不同。,3、中美规范基本风速比较,中国规范基本风速定义：基本风速取值为地面粗糙度类别为B，距地面10 m 高度处，时距10 min的平均年最大风速(m/s)，重现期为50年。,美国规范基本风速定义：基本风速取值为地面粗糙类别为C、距地面10m高度处、时距3s的风速值，对于不同风险级别的建筑物，50年的超越概率分别为15%（级）、7%（级）、3%（、级），重现期分别为300年（级）、700年（级）、1700年（、级）。,基本风速定义涉及因素,离地高度、地面粗糙度、平均时距、重现期等,相同部分,

17、离地高度都是10m、地面粗糙度的条件基本相同,不同部分,平均时距和重现期,由此可以看出:中美国规范风荷载的取值差异，主要是由基本风速的定义不同引起的。所以，工程设计中或进行相互比较时，对中美规范的基本风速应进行必要的换算。,4、关于地面粗糙度的选取,（1）中国的荷载规范中,地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类:,（2）美国的荷载规范中，地面粗糙度分为B、C、D 三类:,基本风速定义中选用的地面粗糙度为B 类。,表3.中美规范地面粗糙度对照,中美规范地面粗糙度类别的比较见表3。,尽管两国规范地面粗糙度的分类有所不同,但气象台一般均设在开阔平坦地区,均取此类地形作为基本风速的基准，因而，中美规范地

18、面粗糙度的条件是基本相同的。,5、中美规范基本风速的转换,平均风速时距是指观测和统计风速资料时所规定的时间间隔。一般取该时间间隔的平均最大风速。在同一气象台,时距越小记录得到的平均风速越大,反之亦然。这是导致中美荷载规范基本风速不同的主要原因之一。,不同时距的风速可按美国规范ASCE 7-10列出的Durst 报告的风速记录分析结果进行换算，t 秒钟时间内(s)平均最大风速与1 h 平均最大风速之比，见图1所示（参见ASCE 7-10“FIGURE C26.5-1 Maximum Speed Averaged over t s to Hourly Mean Speed”）。,图1.风速转换,设

19、时距为10 min 的风速为，时距为3s 的风速为，欲将 换算为。首先由3s 时距，查图1得:则，即将时距3s 的风速 换算成1h 时距的风速；其次，由10 min 时距查图1得:，或。,平均风速时距取得愈短，则风速愈大，反之风速愈小。我国GB 50009-2012取10min 为平均风速时距，世界各国规范的规定也是不同的。例如美国、英国规范取3s，前苏联规范取2min，加拿大规范取60min 等等。因此,应用这些国家的规范时，应进行必要的换算，换算系数可按图1进行换算，也可按表4选用。,表4.风速时距换算,6、风压高度变化系数z与风压暴露系数Kz,中国规范的风压高度变化系数 z与美国规范的风

20、速压力暴露系数Kz，反映的都是在不同地貌情况下，不同高度处的基本风压换算关系。,由 于地表摩擦的结果，使得接近地表的风速随高度减小而降低，任意地貌、任一高度处的风压值 可认为是基本风压 乘以风压高度变化系数 z：,（10）,风压暴露系数Kz在美国规范公式中也起着同样的作用。,图2.中国规范风压高度变化 系数z曲线,图3.美国规范风压暴露系数 Kz曲线,风经过山峰和山坡等地形时，会产生涡旋从而导致局部风加速现象，如图4所示，对此，两国规范都进行了修正。中国规范采用修正系数对z进行调整，如图5所示。美国规范采用修正系数Kzt对Kz进行调整，示意图如图6（参见ASCE 7-10 Fig.26.8-1

21、 Topographic Factor,Kzt）所示。,a山坡；b山峰图4.山区地形风压示意,a山峰；b山坡图5.中国规范山峰和山坡示意,中国规范对于类粗糙度，山峰和山坡顶部的修正系数如下式：,（11）,式中：山峰或山坡迎风面坡度，时，取0.3；系数，山峰取3.2，山坡取1.4；建筑物计算位置离所在地面的高度，当2.5H 时，取2.5H。,表5.中国规范远海海面和海岛的修正系数,对于类粗糙度，如远海海面、海岛，修正系数按表5修正。,其他部位的修正系数，可按A、C 点 和 为1，AB 和BC 段线性插值确定。,a山坡；b2-D山峰或3-D对称山坡图6.美国规范山峰和山坡加速风示意,美国规范修正系

22、数如下：,（12）,式中，其他参数如表6所示。,表6.美国规范风掠过山峰和山坡的加速效应参数,注：B、C、D为粗糙度类别。,7、风振系数z与阵风影响系数G,风力中除了平均风以外，还有脉动风。由于它是随机荷载，因而将引起结构的随机振动，其理论基础是随机振动理论。中国规范的风振系数z是考虑结构在风荷载的作用下，随时间、空间变异性、结构阻尼和周期等因素，来计算脉动风作用下，结构动力影响的综合系数。中国规范规定，高度大于30 且高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。对于外形、重量沿高度无变化的等截面结构，由于

23、频谱比较稀疏，第一振型为主导振型，可仅考虑第一振型影响，沿高度z处的风振系数为：,（13）,式中 脉动增大系数；脉动影响系数；振型系数（应由结构动力分析确定，也可采用规范近似公式或附录F确定）；风压高度变化系数。,美国规范的阵风影响系数G或 Gf作用和原理与我国规范的风振系数z相似。,对于刚性结构：,对于柔性结构：,（14）,（15）,式中 高度处的紊流密度；Q 背景响应系数；、根据规范取值的系数；R 共振反应系数。,8、体型系数s与风压系数Cp,中国规范风载体型系数s是风在建筑物表面引起的实际压力与来流风压的比值；美国规范与之对应的是风压系数Cp。,为了获得各种建筑物表面风压实际大小及分布情

24、况，一般有两种方法：,在实际建筑物上测定表面压力分布,用缩小比例模型进行风洞试验,1,2,从体型系数与风压系数的比较也可看出，两国规范的风载体型系数与风压系数大致基本相同，最大的不同主要体现在以下几个方面：（）美国规范风压系数与建筑物的外形比例相关，并随设计时考虑的风向变化。（）美国规范各受风面（包括屋面和侧墙）细分为若干风压区，不同分区采用不同的风压系数。这样更接近于实际情况，对于构件和围护结构尤其如此。（）美国规范考虑了建筑物内部风压，引入了内部风压系数，对于有孔洞、门窗和开敞式建筑物产生的内部风压，作了详细的分析和规定。中国规范仅在验算围护构件及强度时，出于安全考虑，参照国外规范，规定了

25、0.2的内表面局部风压体型系数。,9、不同重现期基本风压的换算系数,欧盟规范SFS-EN 50341-1:2001“Overhead Electrical Lines Exceeding AC 45 kV.Part 1:General Requirements.Common Specifications”，直接给出了不同重现期基本风速与基本风压之间的转化结果。文献建筑工程结构荷载学根据国内外规范以及我国各地风压资料为基础统计平均得出的比值，不同重现期与50年重现期的风压比值可表示为：，其中，T0为重现期。,根据GB 50009-2012的统计分析，对风速的年最大值x可采用极值型的概率分布来模拟

26、，其分布函数为：,（16）,（17）,（18）,式中 u 分布的位置参数，即分布的众值；分布的尺度参数。,考虑到风有其自然周期，每年季节性地重复一次。因此，我国统计最大风速的样本以年最大风速为基准。设基本风速的重现期为R年，则1/R 为每年实际风速超过基本风速的概率，故每年不超过基本风速的概率或保证率P0为：,（19）,据此，由式(16)式(19)求得重现期为R的最大风速 可按下列公式确定：,（20）,由式(20)可以看出，只要知道基本风速的保证率P0，即可由式(20)的第二式求出保证率系数k，从而根据年最大风速的平均值 和标准差，由式(20)的第一式求出重现期为R、保证率为P0的设计基本风速

27、。,文献建筑工程结构荷载学根据不考虑风向的全国29个气象台（站）的年最大风压实测资料，由子样按矩法估计求得代表全国年最大风压的统计参数为：平均值，标准差，变异系数，在置信度为0.05的条件下，29个气象台（站）的年最大风压均服从极值型分布。根据全国各地的年最大风压的统计特征，由式(20)即可确定不同重现期的基本风速，再按贝努利公式转化为基本风压。为便于比较不同重现期下基本风压的差别，本文以50年重现期的基本风压为基准，求得不同重现期基本风压与50年重现期基本风压的换算系数，计算结果见表7，与欧盟规范EN 50341的取值基本相同。,表7.不同重现期基本风压的换算系数,结论,（1）美国新版荷载规

28、范ASCE 7-10“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”，对于承载能力极限状态，取消了风荷载的重要性级别和重要性系数，取而代之的是根据建构筑物风灾的严重程度确定不同的风险级别（分为I、II、III、IV级），按照不同的风险级别确定对应的基本风速，基本风速50年的超越概率根据不同建（构）筑物的风险级别分别取为15%（I级）、7%（II级）、3%（III、IV级），基本风速的重现期由原规范的50年改为根据不同建（构）筑物的风险级别分别取为300年（I级）、700年（II级）、1700年（III、IV级）；荷载组合中的风荷

29、载的分项系数也由原规范的1.6改为1.0。,（2）对于正常使用极限状态下风荷载的计算及其荷载组合，在原ASCE 7-05中没有明确的规定，但基本风速采用的是与承载能力极限状态一样的值，不同的是两种极限状态采用不同的风载分项系数。而新规范ASCE 7-10附录(Appendix C Serviceability Considerations)给出了正常使用极限状态时的基本风速分布图。与承载能力极限状态相同的是，根据不同重现期选择不同的基本风速分布图，不同的是，重现期不是按建（构）筑物的风险级别确定的，而是由设计工程师和用户按经验和使用要求来确定的，同一风险级别的建（构）筑物可采用不同的基本风速。正常使用极限状态基本风速的重现期远低于承载能力状态基本风速的重现期，分为10年、25年、50年、100年。,（3）比较中美规范的基本风速定义可知:基本风速定义中涉及到离地高度、地面粗糙度、平均时距、重现期等因素。中国与美国规范基本风速定义相同的部分是:离地高度,都是10m；地面粗糙度的条件也是基本相同的。而不相同的部分是:平均时距和重现期。工程设计中或进行相互比较时，对中美规范的基本风速应进行必要的换算。,（4）本文建议的不同时距的基本风速的转换方法及不同重现期的基本风压的转换方法可供参考。,