美国规范在涉外工程中的应用

美国规范在涉外工程中的应用

美国规范是国际通用的规范之一。近年来，随着外国游客项目的增多，它们经常被设计要求。很大一部分涉外工程的技术说明,要求采用美国规范作为其设计标准,即便可以采用中国规范设计,业主提供的包括风荷载在内的输入条件,也有很多是基于美国规范的。因此,深入了解并掌握美国规范及其与中国规范的异同,正确使用其进行工程设计,成为迫切需要。本文从工程实际出发,对美国ASCE/SEI7-05《建筑最小荷载规范》和GB50009-2001(2006版)《建筑结构荷载规范》的风荷载计算进行比较和分析。限于篇幅,本文仅对主要抗风体系MWFRS(MainWindue011ForceResistingSystem)风荷载作分析比较。1载标准值的计算中国规范GB50009-2001(2006版)(以下简称“中国规范”)对垂直作用于MWFRS表面的风荷载标准值计算为:式中wk——风荷载标准值,kN/m2;βz——高度z处的风振系数;μs——风荷载体型系数;μz——风压高度变化系数;w0——基本风压,kN/m2。美国规范ASCE/SEI7-05(以下简称“美国规范”)对作用于MWFRS表面的净设计风压p或设计风荷载F的计算如下:GCpi——内部风压系数。2风振系数和阵风影响系数一般情况下,顺向风在对结构所产生的效应中起主要作用;若建筑物在横向风作用下,产生跨临界范围(雷诺数Re≥3.5×106)的共振响应,或者由于建筑物截面形状产生空气动力失稳情况时,则需考虑横向风效应。对于任何结构体系,在风作用下都会产生振动。将脉动风作为输入,按随机理论对结构直接进行动力响应分析,是最准确的方法;但因其过于烦琐,只是在特殊结构形式或对动态风激励敏感的建筑物中才采用。工程实际中,通常采用等效静力荷载法来考虑脉动风对结构的风振影响,各国风荷载标准值表达方式通常有两种:一种为平均风压乘以风振系数;另一种为平均风压加上由脉动风引起的结构风振的等效风压。在结构的风振计算中,往往是第一振型起主要作用。我国规范与大多数国家相同,采用的是第一种表达方式——平均风压乘以风振系数。风振系数βz是考虑了结构在风荷载作用下动力响应的综合系数,βz=1+ζγφz/μz中的ζγφz/μz就是脉动风部分的等效系数。美国规范风荷载表达方式采用的也是这种表达方式,其阵风影响系数G和Gf就是考虑风动力效应的综合系数。3基本组成3.1年平均最大风速基本风速是风荷载设计输入的基本参数,但是各国对基本风速的取值是有各自标准的。各国在制定规范的时候,涉及到以下6项的定义是不同的。中国规范中基本风速ν0的规定是:一般空旷平坦地面,离地高10m,10min时距,按50年重现期确定的年平均最大风速。美国规范中基本风速v的规定是:C类粗糙度场地,离地33ft(高10m,1ft=0.3048m),时距为3s的阵风风速,按50年重现期确定的年平均最大风速。表1为中、美规范基本风速影响因素对比。从表1可以看出,中、美规范在基本风速的定义上,仅在时距的取值上存在着不同。在各个国家的风荷载标准中,标准时距取值不一致。例如,美国、印度、澳大利亚取3s;中国、前苏联、日本、国际标准化协会ISO取10min;英国、加拿大取lh。表2为以中国规范的10min为基准,对各种不同时距风速的换算比值。根据表2换算关系,可以得出中、美规范基本风速关系如下:涉外工程中,业主提供工程所在国家的基本风速,在充分了解基本风速定义前提下,若仅时距存在差别,则可根据表2将基本风速进行简单转换。3.2粗糙度的定义风压沿高度的变化,与地面的粗糙度有关,我国定义与美国规范是相反的,如表3所示。这里需要说明的是,之前的ASCE7-95版对A类粗糙度有详细定义及描述,与我国D类相似。从ASCE7-02规范开始认为,大量密集建筑的城市区域,接近高大建筑物,存在复杂的局部风隧效应和尾流颤振效应等,很多情况超越了分析法(Anaue011lyticalMethod)能够解决的范畴,推荐在时间和经费允许的情况下,采用风洞试验法(WindTunnelMethod)。3.3风速压力暴露系数中国规范的风压高度变化系数μz和美国规范的风速压力暴露系数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wk可认为是基本风压w0乘以风压高度变化系数μz:风速压力暴露系数Kz在美国规范公式中也起着同样的作用。图1、图2中反映了这两个系数随高度和地貌变化的趋势。其中,B1类情况用于构件和围护结构以及低矮建筑物的MWFRS。B2类情况用于除低矮建筑物以外所有建筑的MWFRS。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3所示,对此,两国规范都进行了修正。4美国规范定义的增广拉风压取相同边界条件,选择2个不同外形尺寸的建筑物,分别采用中、美规范计算其风荷载,限于篇幅,仅对作用于主要抗风体系MWFRS的横向受风时的风荷载进行计算比较。建筑物条件:双坡屋面,全封闭刚性建筑,外形尺寸见图6。气象条件:中国规范基本风速35m/s,相当于美国规范基本风速49.7m/s(111.2m/h)。地理条件:海拔高度按0m,地面粗糙度,中国规范按B类,美国规范大体相当于C类。其中算例1为美国规范定义的低矮建筑(Low-RiseBuilding),采用美国规范特别规定的计算方法。计算结果对比见表6和表7。由表6、表7计算结果比较可见:1)美国规范针对低矮建筑采用了专门规定,而中国规范依旧采用常规计算,可看出:两国规范在算例1比较中相差比较大,尤其在端区,由于局部风压分布不均匀导致其较内区大很多,而中国规范对此没有进行调整。2)美国规范计算设计风压时未包含风向系数Kd,只在风荷载参与荷载组合时才考虑该折减系数,表中括号内给出考虑风向系数Kd折减后的值,可以看出:算例2中,除了屋面差别较大外,墙体风压最大差别在9%以内。3)美国规范迎风屋面考虑了内部风压的双向不利影响,因此,按最不利组合时,往往较中国规范大很多;算例1中迎风屋面内区风压差别为78%,端区差别达到157%;算例2中背风屋面风压差别达53%。4)美国规范在迎风屋面,考虑了两种不利工况,比较可以看出,迎风屋面的结果差别在1倍左右;另外,美国规范对屋面角度规定更加细,中国规范15°以内背风屋面体型系数均为-0.6,美国规范10°的外部风压系数为-0.3,导致背风屋面风压相差也较大。算例1中背风屋面内区风压差别为47%,端区差别达到89%;算例2中背风屋面风压差别达28%。本文范例比较的数量和范围有限,因此有较大局限性,结果仅供参考。5u2004荷载计算公式的对比1)两国风荷载规范理论上都建立在随机振动理论的风振分析方法的基础上,在表达方式上,与抗震规范一致,因而较为合理且准确。2)美国规范考虑了风载作用下结构质心与形心偏差的扭转影响,中国规范对此尚未有考虑。3)美国规范对刚性结构、柔性结构、动力敏感结构的脉动风载作用下的不同影响,采用不同公式加以计算,对于低矮建筑也采用了专门的规定;中国规范没有加以特别区分。某些特殊情况的计算存在一定出入。4)GB50009-2001规范中,对很多常见的建筑外形都明确地标明了体型系数,且DL/T5095-2007《火力发电厂主厂房荷载设计技术规程》还补充了火力发电厂主厂房框排架常见外形体型系数,使得在设计中应用比较方便;相比之下,美国规范对风荷载的规定较为繁琐,对于很多复杂外形情况,则必须根据经验,将几种原则进行组合来确定,这样,给工程设计人员带来一些不便。5)美国规范中,对于非封闭建筑物和存在孔洞的封闭建筑,其内部风压有着详细的计算规定;而中国规范仅在验算围护构件及强度时,规定了±0ue0102的内表面局部风压体型系数。6)美国规范的风荷载定义了不同的风压分区,各分区的风压系数不同,这一点,更加接近于实际情况,比之中国规范简化为单一的值,显得更加准确。7)对风载敏感或特别复杂的结构,两种规范都指出,应该通过风洞试验来确定体型系数或风压系数。对于A类密集高层建筑物的大城市区,考虑到复杂的局部风隧效应和尾流颤振效应,美国规范取消了该地面粗糙度规定,建议采用风洞试验确定。8)美国风荷载规范,就设计原理上与中国规范基本相同,根据常规外形建筑物的简单比较来看,风荷载的计算结果差别不大。G、Gf——阵风影响系数;GCp、GCpf——外部风压系数;1离地面的高度风速是随着高度变化的,由于地表摩擦的影响,使得离地高度越大,风速就越大,直到达到不受地表影响的梯度风高度,风速即稳定在梯度速度。2最大风速的重建周期从概率的意义上来说,在一定时间间隔内,超过该最大平均风速的概率不大于某特定值,该时间间隔就称为重现期。重现期越长,结构安全度越高。3平均风速的持续时间平均最大风速与时距有很大关系,时距取得越短,则平均风速值越高。4基本类型地表愈粗糙,风能消耗愈厉害,平均风速愈小。因此必须以一个标准的地貌作为基本风速的取值标准。5样本最大风速有其周期性,每年季节性重复,因此,采用年最大风速作为一个统计样本是比较合适的,在这点上各国基本一致。6修正系数kzt由于最大风速涉及到概率计算,必须根据概率密度函数曲线形式,选取最符合最大风速出现规律的曲线线形。式中tanα——山峰或山坡迎风面坡度,tanα>0.3时,取0.3;κ——系数,山峰取3.2,山坡取1.4;z——建筑物计算位置离所在地面的高度,当z>2.5H时,取2.5H。其他部位的修正系数,可按A、C点ηA和ηC为1,AB和BC段线性插值确定。对于A类粗糙度,如远海海面、海岛,修正系数按表4修正。美国规范采用修正系数Kzt对Kz进行调整,示意如图5所示。修正系数Kzt=(1+K1K2K3))2,这里,,K3=e-γz/Lh,其他参数如表5所示。3.4风压脉动影响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βz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30m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:式中ξ——脉动增大系数;ν——脉动影响系数;φz——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);μz——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βz相似。对于刚性结构:对于柔性或动力敏感结构:式中高度处的紊流密度;Q——背景响应系数;gv,gR,gQ——根据规范取值系数;R——共振反应系数。3.5风速压力qz由于空气密度ρ实际是个变值,中国规范统一标准为:一个标准大气压下,15℃干空气密度ρ=1.2018kg/m3,重力加速度9.8m/s2,根据贝努利公式w0=ρv2/2,得:中国规范取w0=v02/1600kPa,即:美国规范中与之对应的参数为风速压力qz,统一标准为:海平面标准大气压101.325kPa,15℃下空气密度ρ=1.225kg/m3,重力加速度9.81m/s2,根据贝努利公式w0=ρv2/2,得其常数为0.613,风速压力qz计算公式为:式中Kd——风向系数(仅用于荷载组合时);Kz——风速压力暴露系数;Kzt——地形系数。从式(9a)和式(10)可看出,我国基本风压的常数1/1630=0.6135,与美国规范常数0.613基本一致。3.6从体型系数和风压系数结构体型的不同,直接影响到作用于建筑物不同表面的风荷载大小。相同风速的情况下,不同建筑物外形和相同建筑物不同表面产生的风压有很大的差别。中国规范风载体型系数μs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。为了得到各种建筑物表面风压实际大小及分布情况,一般有两种方法:一是在实际建筑物上测定表面压力分布;二是缩小比例模型进行风洞试验。中国的风载体型系数经过了一个不断完善的过程,并参考了国外的资料,得出了现在规范中较为详细的风荷载体型系数表。美国规范现阶段的风压系数,也是在边界层风洞试验基础上,结合之前的研究总结而来。事实上,中国规范列出的体型系数,大部分根据国外规范整理而成,其中就包括美国规范。从体型系数和风压系数比较也可看出,两者大致基本相同,最大的不同主要体现在以下几个方面:1)美国规范风压系数与建筑物的外形比例相关,并随设计