可靠性分析-排版后.docx

中、美風(fēng)荷載規(guī)范對(duì)比研究【摘要】伴著我國(guó)走出國(guó)門走向世界戰(zhàn)略的提出，我專業(yè)學(xué)生越來(lái)越多的選擇出國(guó)留學(xué)深造，且在國(guó)際招標(biāo)的工程中通常采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)荷載。中美規(guī)范中對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算存在較大的差異，現(xiàn)對(duì)關(guān)于中美兩國(guó)荷載規(guī)范中風(fēng)速、基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載等的計(jì)算差異與換算關(guān)系進(jìn)行分析比較，且簡(jiǎn)單對(duì)歐洲規(guī)范作簡(jiǎn)單介紹。以一輸電鐵塔結(jié)構(gòu)為例,利用現(xiàn)行的中美各自的規(guī)范,提供了簡(jiǎn)單的風(fēng)荷載計(jì)算步驟和各種系數(shù)的確定方法，并將二者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以供日后學(xué)習(xí)工作參考。【關(guān)鍵詞】風(fēng)荷載；基本風(fēng)速；重現(xiàn)期；標(biāo)準(zhǔn)高度；平均時(shí)距。Abstract: More and more our professional students choose to study abroad for further study with putting forward “Go globe” strategy, and some projects in the international tender need to dopt American standard to calculate. Obviously, there have great differences for calculating wind load between China and America standard. Now analyze and contrast the calculation and conversion of wind speed, basic load and wind load , and make simple introduction on the European standard. For the purpose of future learning, solve the wind load of a transmission tower structure with these two specifications, and compare the results as a reference.Key Words: wind load; basic wind speed; return period; standard height; average time interval.伴著我國(guó)走出國(guó)門走向世界戰(zhàn)略的提出，我專業(yè)學(xué)生越來(lái)越多的選擇出國(guó)留學(xué)深造，且在國(guó)際招標(biāo)的工程中通常采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)荷載。世界各地對(duì)基本風(fēng)速、工程地質(zhì)等方面的劃分標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，存在一定的差異性，決不能簡(jiǎn)單地按我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范取值標(biāo)準(zhǔn)直接套用，這些問(wèn)題經(jīng)常給設(shè)計(jì)者帶來(lái)許多困擾。風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方法通常是先參照某地的基本風(fēng)速，然后將基本風(fēng)速換算成基本風(fēng)壓，最后據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行不同的修正。由于自然環(huán)境的不同，世界各國(guó)在制定風(fēng)荷載規(guī)范時(shí)對(duì)風(fēng)荷載的基本計(jì)算參數(shù)有著不同的理解?，F(xiàn)針對(duì)關(guān)于中美歐三國(guó)荷載規(guī)范中風(fēng)速、基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載等的計(jì)算差異與換算關(guān)系進(jìn)行分析比較，以供日后學(xué)習(xí)工作參考。1規(guī)范簡(jiǎn)介及分析1.1 風(fēng)荷載計(jì)算公式中國(guó)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：Wk=ZSZW0 F=Wk*AfWk：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）Z：高度z處的風(fēng)振系數(shù)S：風(fēng)荷載體型系數(shù)Z：風(fēng)壓高度變化系數(shù)W0：基本風(fēng)壓（kN/m2）Af: 受風(fēng)面積（m2）美國(guó)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：F=qzGhCfAf(對(duì)于開敞式結(jié)構(gòu))qz: 速度壓力(相當(dāng)于中國(guó)的 ZW0)Gh: 陣風(fēng)影響系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)的Z，但取值有所不同)Cf: 風(fēng)載體型系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的S，但取值略有不同)Af: 受風(fēng)面積（C）歐洲風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：此規(guī)范中，確定風(fēng)荷載作用的大小有兩種方法:一是使用形狀系數(shù)采用力系數(shù)的力系數(shù)法;二是通過(guò)外表面壓(吸)力、內(nèi)表面壓(吸)力和風(fēng)摩擦力三部分求和的求和法。第一種力系數(shù)法計(jì)算風(fēng)作用 FW的公式為: FW=cscd cfqp(ze) Arefcscd:結(jié)構(gòu)系數(shù)cf:結(jié)構(gòu)整體或結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的力系數(shù)qp(ze):基準(zhǔn)高度處的峰值風(fēng)速壓力Aref:基準(zhǔn)面積。1.2 基本風(fēng)壓 中國(guó)規(guī)范中的基本風(fēng)壓公式：W0=1/2V02 , 是空氣密度1.256kg/m3，V0為B類地形離地10m高處重現(xiàn)期為50年的10min平均年最大風(fēng)速，m/s2 美國(guó)規(guī)范： qz=0.613KzKztKdV2(N/m2；V的單位為m/s) 式中： Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)(相當(dāng)于中國(guó)的Z，但取值略有不同)； Kzt為地形因素系數(shù)(對(duì)于平地取1.0)；Kd 為風(fēng)方向性因素系數(shù)(美國(guó)規(guī)范規(guī)定一般可取0.850.95，或按公式計(jì)算)；V為基本風(fēng)速(相當(dāng)于中國(guó)的V 0)， 美國(guó)規(guī)范規(guī)定基本風(fēng)速為C類地貌離地33ft（相當(dāng)于10m）高度處重現(xiàn)期為50年的3s陣風(fēng)風(fēng)速。對(duì)比分析中美的基本風(fēng)速，離地面的高度: 離地高度越高，風(fēng)速越大，受地面粗糙度的影響就越小。因此，中美兩國(guó)基本風(fēng)速均規(guī)定統(tǒng)一為離地10m。地面粗糙度：中國(guó)規(guī)范中，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類，美國(guó)規(guī)范中，地面粗糙度可分為B、C、D三類。中美規(guī)范中地面粗糙度對(duì)比粗糙度類別中國(guó)規(guī)范ABCD美國(guó)規(guī)范DCBB所以中美兩國(guó)基本風(fēng)速在地貌類別即地面粗糙度的規(guī)定是一樣的。重現(xiàn)期：荷載重現(xiàn)期不同，最大風(fēng)速的保證率不同，相應(yīng)的最大風(fēng)速值也不同。荷載重現(xiàn)期的取值直接影響到結(jié)構(gòu)的安全度，對(duì)于風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，重要性不同的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)有可能采用不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的安全水準(zhǔn)。中美兩國(guó)基本風(fēng)速對(duì)重現(xiàn)期的規(guī)定是一樣的。用極值I型分布隨機(jī)過(guò)程來(lái)擬合持久荷載、風(fēng)荷載、雪荷載 其分布函數(shù)為：Ft(x)=exp-exp-x-ka a=t1.2826 k=t-0.5772a重現(xiàn)期與基本風(fēng)壓的關(guān)系，還與變異系數(shù)/u有關(guān)，現(xiàn)根據(jù)我國(guó)不同臺(tái)站的資料，統(tǒng)計(jì)得出不同重現(xiàn)期與50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓換算系數(shù)，見下表。平均時(shí)距：平均風(fēng)速時(shí)距是指觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料時(shí)所規(guī)定的時(shí)間間隔，一般取該時(shí)間間隔的平均最大風(fēng)速。在同一個(gè)氣象臺(tái)，平均時(shí)距越小則記錄得到的平均最大風(fēng)速越大，反之亦然。美國(guó)規(guī)范采用3s,中國(guó)規(guī)范采用10min。平均風(fēng)速值與平均時(shí)用的時(shí)距成反比，當(dāng)時(shí)距長(zhǎng)時(shí)，平均風(fēng)速小;時(shí)距短時(shí)，平均風(fēng)速大，二者之間的關(guān)系可用下式表示:Wt2=BWt1+A其中 B=(t1t2)a這里 Wt2為在t2時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速; Wt1為在t1時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速；B為斜率，其值取決于待定系數(shù)a;A為截距(若A值很小，即相對(duì)于Wt2，Wt1可略);B即為換算系數(shù)。由上式，兩個(gè)確定時(shí)距平均風(fēng)速之間的換算系數(shù)只取決于a值的大小。不同時(shí)距的平均風(fēng)速換算系數(shù)不僅與平均時(shí)所用的時(shí)距長(zhǎng)短有關(guān)，而且與樣本的下限風(fēng)速有關(guān)。其中：A、B、C、D為地面粗糙度類別橫坐標(biāo)為風(fēng)速時(shí)距，縱坐標(biāo)為不同時(shí)距相對(duì)于10min的風(fēng)速換算系數(shù)。不同重現(xiàn)期與50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓換算系數(shù)重現(xiàn)期T0(年)1006050403020105換算系數(shù)Z1.101.031.000.970.930.870.770.66B類地區(qū)不同風(fēng)速時(shí)距換算風(fēng)速時(shí)距60min10min5min2min1min30s20s10s5s3s瞬時(shí)統(tǒng)計(jì)比值0.901.001.071.151.181.231.251.331.361.39 1.45綜上所述：中美規(guī)范的基本風(fēng)速在地貌類別、標(biāo)準(zhǔn)高度、重現(xiàn)期的規(guī)定是基本一致的，僅在平均風(fēng)速時(shí)距上有所差別。歐洲規(guī)范：歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)規(guī)范中規(guī)定的基本風(fēng)速是在B類場(chǎng)地、高度10m、重現(xiàn)期50年、觀測(cè)時(shí)間10min的條件下確定的，與中國(guó)荷載規(guī)范一致。歐洲風(fēng)荷載規(guī)范EN1991-1-4中把地形類別分為五類,分別是0,。按照中歐規(guī)范對(duì)各地面粗糙度類別的描述, 可以認(rèn)為中國(guó)規(guī)范A類場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于歐洲規(guī)范0和類場(chǎng)地, B、C、D類場(chǎng)地分別對(duì)應(yīng)于、類場(chǎng)地。2風(fēng)荷載的計(jì)算與比較在蘇丹220kV輸電線路工程中，國(guó)外業(yè)主提供的原始資料：風(fēng)速按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(離地高度10m，3s陣風(fēng)，50年重現(xiàn)期，地面粗糙度為C類)，基本風(fēng)速為47m/s。中國(guó)現(xiàn)行110kV750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定220kV輸電線路的荷載取值標(biāo)準(zhǔn)為離地高度10m，10min平均最大風(fēng)，30年重現(xiàn)期，地面粗糙度為B類。下面以自立式直線鐵塔SZ為例進(jìn)行計(jì)算，塔高40m，風(fēng)壓高度取離地20m處(鐵塔結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載是主要荷載)。2.1按中國(guó)規(guī)范進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算根據(jù)中美風(fēng)速的換算關(guān)系： V中=V美/1.39 =47/1.39=33.8(m/s)Wk=ZSZW0t=1.351.31.250.62533.820.93=1456.7(N/m2)(按30年重現(xiàn)期計(jì)算) 1.3：體型系數(shù)，0.8+0.5Z=1.25：2.2按美國(guó)荷載進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算美國(guó)規(guī)范速度壓力qz計(jì)算：qz=0.613KzKztKdV2=0.6131.161.01.0472=1570.8(N/m2)( 此處參照 Guide lines for Electric a lTransmission Line Structural Loading要求，按90度方向風(fēng)吹，Kd取1.0)美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)風(fēng)壓p計(jì)算：P=qzGhCf=1570.81.291.3=2634.2(N/m2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.16的由來(lái)：美國(guó)計(jì)算Gh=1.29的由來(lái)：2.3中美風(fēng)荷載取值的比較對(duì)同一鐵塔結(jié)構(gòu)，美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值是中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值的1.3倍，如果110kV750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中荷載重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)提高到50年，則美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值是中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值的1.21倍。按美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的鐵塔結(jié)構(gòu)更加偏于安全。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，中國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范和歐洲風(fēng)荷載在考慮順風(fēng)向風(fēng)振影響時(shí)差異比較大。歐洲風(fēng)規(guī)范用基準(zhǔn)高度的動(dòng)力特性代表整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,考慮的湍流作用比中國(guó)規(guī)范的取值大,使歐洲規(guī)范中的順風(fēng)向風(fēng)振影響的放大作用比中國(guó)規(guī)范大。在風(fēng)作用計(jì)算結(jié)果中,在建筑結(jié)構(gòu)較低的部位歐洲規(guī)范計(jì)算的風(fēng)作用要遠(yuǎn)大于中國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果。隨著高度的增加,由于地面粗糙度修正的指數(shù)律和對(duì)數(shù)律的差別,中國(guó)規(guī)范的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果和歐洲規(guī)范的計(jì)算結(jié)果的差距逐漸減小。3結(jié)語(yǔ)由于對(duì)基本風(fēng)速的定義和測(cè)量取值方法的不同，從而導(dǎo)致了中國(guó)和美國(guó)、歐洲規(guī)范基本風(fēng)速值大小的差異，也導(dǎo)致了風(fēng)荷載取值的差異。在進(jìn)行國(guó)外項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該搞清楚業(yè)主或咨詢機(jī)構(gòu)提供的現(xiàn)場(chǎng)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的具體含義，如基本風(fēng)速為3s陣風(fēng)風(fēng)速，則采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需轉(zhuǎn)換為10min平均最大風(fēng)速，這樣的計(jì)算結(jié)果才會(huì)基本合理。上述的計(jì)算比較僅僅是針對(duì)輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，風(fēng)荷載的計(jì)算受多種因素的影響，如換為其它結(jié)構(gòu)模型，則各項(xiàng)計(jì)算系數(shù)取值會(huì)有所不同，所以最終的計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所差異，不同結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需按實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真分析，不能一概而論。參考文獻(xiàn)1 GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（2006年版）M北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2002.2 張相庭工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計(jì)算手冊(cè)M上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，19903 劉迪，李立昌2010年版美國(guó)建(構(gòu))筑物荷載規(guī)范有關(guān)風(fēng)荷載部分修改簡(jiǎn)介J鋼結(jié)構(gòu)，2011，(02)4 洪小健，顧明.順風(fēng)向等效風(fēng)荷載及響應(yīng)主要國(guó)家建筑風(fēng)荷載規(guī)范比較J.建筑結(jié)構(gòu).2004,34（7）：3943.5 黃韜穎.中美澳三國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范比較D.北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.6 黃韜穎,楊慶山.中美澳風(fēng)荷載規(guī)范重要參數(shù)的比較J.工程建設(shè)與設(shè)計(jì), 2007, 50(1): 23-27.7 JGJ 99-98,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程S.8 Solari G, Kareen Ah. 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