美國(guó)規(guī)范在涉外工程中的應(yīng)用

美國(guó)規(guī)范在涉外工程中的應(yīng)用

美國(guó)規(guī)范是國(guó)際通用的規(guī)范之一。近年來(lái)，隨著外國(guó)游客項(xiàng)目的增多，它們經(jīng)常被設(shè)計(jì)要求。很大一部分涉外工程的技術(shù)說(shuō)明,要求采用美國(guó)規(guī)范作為其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),即便可以采用中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì),業(yè)主提供的包括風(fēng)荷載在內(nèi)的輸入條件,也有很多是基于美國(guó)規(guī)范的。因此,深入了解并掌握美國(guó)規(guī)范及其與中國(guó)規(guī)范的異同,正確使用其進(jìn)行工程設(shè)計(jì),成為迫切需要。本文從工程實(shí)際出發(fā),對(duì)美國(guó)ASCE/SEI7-05《建筑最小荷載規(guī)范》和GB50009-2001(2006版)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的風(fēng)荷載計(jì)算進(jìn)行比較和分析。限于篇幅,本文僅對(duì)主要抗風(fēng)體系MWFRS(MainWindue011ForceResistingSystem)風(fēng)荷載作分析比較。1載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算中國(guó)規(guī)范GB50009-2001(2006版)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)規(guī)范”)對(duì)垂直作用于MWFRS表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算為:式中wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs——風(fēng)荷載體型系數(shù);μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0——基本風(fēng)壓,kN/m2。美國(guó)規(guī)范ASCE/SEI7-05(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“美國(guó)規(guī)范”)對(duì)作用于MWFRS表面的凈設(shè)計(jì)風(fēng)壓p或設(shè)計(jì)風(fēng)荷載F的計(jì)算如下:GCpi——內(nèi)部風(fēng)壓系數(shù)。2風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)影響系數(shù)一般情況下,順向風(fēng)在對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的效應(yīng)中起主要作用;若建筑物在橫向風(fēng)作用下,產(chǎn)生跨臨界范圍(雷諾數(shù)Re≥3.5×106)的共振響應(yīng),或者由于建筑物截面形狀產(chǎn)生空氣動(dòng)力失穩(wěn)情況時(shí),則需考慮橫向風(fēng)效應(yīng)。對(duì)于任何結(jié)構(gòu)體系,在風(fēng)作用下都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。將脈動(dòng)風(fēng)作為輸入,按隨機(jī)理論對(duì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,是最準(zhǔn)確的方法;但因其過(guò)于煩瑣,只是在特殊結(jié)構(gòu)形式或?qū)?dòng)態(tài)風(fēng)激勵(lì)敏感的建筑物中才采用。工程實(shí)際中,通常采用等效靜力荷載法來(lái)考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振影響,各國(guó)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)方式通常有兩種:一種為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù);另一種為平均風(fēng)壓加上由脈動(dòng)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)風(fēng)振的等效風(fēng)壓。在結(jié)構(gòu)的風(fēng)振計(jì)算中,往往是第一振型起主要作用。我國(guó)規(guī)范與大多數(shù)國(guó)家相同,采用的是第一種表達(dá)方式——平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)βz是考慮了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)的綜合系數(shù),βz=1+ζγφz/μz中的ζγφz/μz就是脈動(dòng)風(fēng)部分的等效系數(shù)。美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載表達(dá)方式采用的也是這種表達(dá)方式,其陣風(fēng)影響系數(shù)G和Gf就是考慮風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)的綜合系數(shù)。3基本組成3.1年平均最大風(fēng)速基本風(fēng)速是風(fēng)荷載設(shè)計(jì)輸入的基本參數(shù),但是各國(guó)對(duì)基本風(fēng)速的取值是有各自標(biāo)準(zhǔn)的。各國(guó)在制定規(guī)范的時(shí)候,涉及到以下6項(xiàng)的定義是不同的。中國(guó)規(guī)范中基本風(fēng)速ν0的規(guī)定是:一般空曠平坦地面,離地高10m,10min時(shí)距,按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風(fēng)速。美國(guó)規(guī)范中基本風(fēng)速v的規(guī)定是:C類(lèi)粗糙度場(chǎng)地,離地33ft(高10m,1ft=0.3048m),時(shí)距為3s的陣風(fēng)風(fēng)速,按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風(fēng)速。表1為中、美規(guī)范基本風(fēng)速影響因素對(duì)比。從表1可以看出,中、美規(guī)范在基本風(fēng)速的定義上,僅在時(shí)距的取值上存在著不同。在各個(gè)國(guó)家的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距取值不一致。例如,美國(guó)、印度、澳大利亞取3s;中國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ISO取10min;英國(guó)、加拿大取lh。表2為以中國(guó)規(guī)范的10min為基準(zhǔn),對(duì)各種不同時(shí)距風(fēng)速的換算比值。根據(jù)表2換算關(guān)系,可以得出中、美規(guī)范基本風(fēng)速關(guān)系如下:涉外工程中,業(yè)主提供工程所在國(guó)家的基本風(fēng)速,在充分了解基本風(fēng)速定義前提下,若僅時(shí)距存在差別,則可根據(jù)表2將基本風(fēng)速進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換。3.2粗糙度的定義風(fēng)壓沿高度的變化,與地面的粗糙度有關(guān),我國(guó)定義與美國(guó)規(guī)范是相反的,如表3所示。這里需要說(shuō)明的是,之前的ASCE7-95版對(duì)A類(lèi)粗糙度有詳細(xì)定義及描述,與我國(guó)D類(lèi)相似。從ASCE7-02規(guī)范開(kāi)始認(rèn)為,大量密集建筑的城市區(qū)域,接近高大建筑物,存在復(fù)雜的局部風(fēng)隧效應(yīng)和尾流顫振效應(yīng)等,很多情況超越了分析法(Anaue011lyticalMethod)能夠解決的范疇,推薦在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)允許的情況下,采用風(fēng)洞試驗(yàn)法(WindTunnelMethod)。3.3風(fēng)速壓力暴露系數(shù)中國(guó)規(guī)范的風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz和美國(guó)規(guī)范的風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz,反映的都是在不同地貌情況下,不同高度處的基本風(fēng)壓換算關(guān)系。由于地表摩擦的結(jié)果,使得接近地表的風(fēng)速隨高度減小而降低,任意地貌、任一高度處的風(fēng)壓值wk可認(rèn)為是基本風(fēng)壓w0乘以風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz:風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz在美國(guó)規(guī)范公式中也起著同樣的作用。圖1、圖2中反映了這兩個(gè)系數(shù)隨高度和地貌變化的趨勢(shì)。其中,B1類(lèi)情況用于構(gòu)件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及低矮建筑物的MWFRS。B2類(lèi)情況用于除低矮建筑物以外所有建筑的MWFRS。風(fēng)經(jīng)過(guò)山峰和山坡等地形時(shí),會(huì)產(chǎn)生渦旋從而導(dǎo)致局部風(fēng)加速現(xiàn)象,如圖3所示,對(duì)此,兩國(guó)規(guī)范都進(jìn)行了修正。4美國(guó)規(guī)范定義的增廣拉風(fēng)壓取相同邊界條件,選擇2個(gè)不同外形尺寸的建筑物,分別采用中、美規(guī)范計(jì)算其風(fēng)荷載,限于篇幅,僅對(duì)作用于主要抗風(fēng)體系MWFRS的橫向受風(fēng)時(shí)的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算比較。建筑物條件:雙坡屋面,全封閉剛性建筑,外形尺寸見(jiàn)圖6。氣象條件:中國(guó)規(guī)范基本風(fēng)速35m/s,相當(dāng)于美國(guó)規(guī)范基本風(fēng)速49.7m/s(111.2m/h)。地理?xiàng)l件:海拔高度按0m,地面粗糙度,中國(guó)規(guī)范按B類(lèi),美國(guó)規(guī)范大體相當(dāng)于C類(lèi)。其中算例1為美國(guó)規(guī)范定義的低矮建筑(Low-RiseBuilding),采用美國(guó)規(guī)范特別規(guī)定的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6和表7。由表6、表7計(jì)算結(jié)果比較可見(jiàn):1)美國(guó)規(guī)范針對(duì)低矮建筑采用了專(zhuān)門(mén)規(guī)定,而中國(guó)規(guī)范依舊采用常規(guī)計(jì)算,可看出:兩國(guó)規(guī)范在算例1比較中相差比較大,尤其在端區(qū),由于局部風(fēng)壓分布不均勻?qū)е缕漭^內(nèi)區(qū)大很多,而中國(guó)規(guī)范對(duì)此沒(méi)有進(jìn)行調(diào)整。2)美國(guó)規(guī)范計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)壓時(shí)未包含風(fēng)向系數(shù)Kd,只在風(fēng)荷載參與荷載組合時(shí)才考慮該折減系數(shù),表中括號(hào)內(nèi)給出考慮風(fēng)向系數(shù)Kd折減后的值,可以看出:算例2中,除了屋面差別較大外,墻體風(fēng)壓最大差別在9%以?xún)?nèi)。3)美國(guó)規(guī)范迎風(fēng)屋面考慮了內(nèi)部風(fēng)壓的雙向不利影響,因此,按最不利組合時(shí),往往較中國(guó)規(guī)范大很多;算例1中迎風(fēng)屋面內(nèi)區(qū)風(fēng)壓差別為78%,端區(qū)差別達(dá)到157%;算例2中背風(fēng)屋面風(fēng)壓差別達(dá)53%。4)美國(guó)規(guī)范在迎風(fēng)屋面,考慮了兩種不利工況,比較可以看出,迎風(fēng)屋面的結(jié)果差別在1倍左右;另外,美國(guó)規(guī)范對(duì)屋面角度規(guī)定更加細(xì),中國(guó)規(guī)范15°以?xún)?nèi)背風(fēng)屋面體型系數(shù)均為-0.6,美國(guó)規(guī)范10°的外部風(fēng)壓系數(shù)為-0.3,導(dǎo)致背風(fēng)屋面風(fēng)壓相差也較大。算例1中背風(fēng)屋面內(nèi)區(qū)風(fēng)壓差別為47%,端區(qū)差別達(dá)到89%;算例2中背風(fēng)屋面風(fēng)壓差別達(dá)28%。本文范例比較的數(shù)量和范圍有限,因此有較大局限性,結(jié)果僅供參考。5u2004荷載計(jì)算公式的對(duì)比1)兩國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范理論上都建立在隨機(jī)振動(dòng)理論的風(fēng)振分析方法的基礎(chǔ)上,在表達(dá)方式上,與抗震規(guī)范一致,因而較為合理且準(zhǔn)確。2)美國(guó)規(guī)范考慮了風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)質(zhì)心與形心偏差的扭轉(zhuǎn)影響,中國(guó)規(guī)范對(duì)此尚未有考慮。3)美國(guó)規(guī)范對(duì)剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)、動(dòng)力敏感結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)載作用下的不同影響,采用不同公式加以計(jì)算,對(duì)于低矮建筑也采用了專(zhuān)門(mén)的規(guī)定;中國(guó)規(guī)范沒(méi)有加以特別區(qū)分。某些特殊情況的計(jì)算存在一定出入。4)GB50009-2001規(guī)范中,對(duì)很多常見(jiàn)的建筑外形都明確地標(biāo)明了體型系數(shù),且DL/T5095-2007《火力發(fā)電廠主廠房荷載設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》還補(bǔ)充了火力發(fā)電廠主廠房框排架常見(jiàn)外形體型系數(shù),使得在設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較方便;相比之下,美國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載的規(guī)定較為繁瑣,對(duì)于很多復(fù)雜外形情況,則必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn),將幾種原則進(jìn)行組合來(lái)確定,這樣,給工程設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一些不便。5)美國(guó)規(guī)范中,對(duì)于非封閉建筑物和存在孔洞的封閉建筑,其內(nèi)部風(fēng)壓有著詳細(xì)的計(jì)算規(guī)定;而中國(guó)規(guī)范僅在驗(yàn)算圍護(hù)構(gòu)件及強(qiáng)度時(shí),規(guī)定了±0ue0102的內(nèi)表面局部風(fēng)壓體型系數(shù)。6)美國(guó)規(guī)范的風(fēng)荷載定義了不同的風(fēng)壓分區(qū),各分區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)不同,這一點(diǎn),更加接近于實(shí)際情況,比之中國(guó)規(guī)范簡(jiǎn)化為單一的值,顯得更加準(zhǔn)確。7)對(duì)風(fēng)載敏感或特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu),兩種規(guī)范都指出,應(yīng)該通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)確定體型系數(shù)或風(fēng)壓系數(shù)。對(duì)于A類(lèi)密集高層建筑物的大城市區(qū),考慮到復(fù)雜的局部風(fēng)隧效應(yīng)和尾流顫振效應(yīng),美國(guó)規(guī)范取消了該地面粗糙度規(guī)定,建議采用風(fēng)洞試驗(yàn)確定。8)美國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范,就設(shè)計(jì)原理上與中國(guó)規(guī)范基本相同,根據(jù)常規(guī)外形建筑物的簡(jiǎn)單比較來(lái)看,風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果差別不大。G、Gf——陣風(fēng)影響系數(shù);GCp、GCpf——外部風(fēng)壓系數(shù);1離地面的高度風(fēng)速是隨著高度變化的,由于地表摩擦的影響,使得離地高度越大,風(fēng)速就越大,直到達(dá)到不受地表影響的梯度風(fēng)高度,風(fēng)速即穩(wěn)定在梯度速度。2最大風(fēng)速的重建周期從概率的意義上來(lái)說(shuō),在一定時(shí)間間隔內(nèi),超過(guò)該最大平均風(fēng)速的概率不大于某特定值,該時(shí)間間隔就稱(chēng)為重現(xiàn)期。重現(xiàn)期越長(zhǎng),結(jié)構(gòu)安全度越高。3平均風(fēng)速的持續(xù)時(shí)間平均最大風(fēng)速與時(shí)距有很大關(guān)系,時(shí)距取得越短,則平均風(fēng)速值越高。4基本類(lèi)型地表愈粗糙,風(fēng)能消耗愈厲害,平均風(fēng)速愈小。因此必須以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地貌作為基本風(fēng)速的取值標(biāo)準(zhǔn)。5樣本最大風(fēng)速有其周期性,每年季節(jié)性重復(fù),因此,采用年最大風(fēng)速作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本是比較合適的,在這點(diǎn)上各國(guó)基本一致。6修正系數(shù)kzt由于最大風(fēng)速涉及到概率計(jì)算,必須根據(jù)概率密度函數(shù)曲線形式,選取最符合最大風(fēng)速出現(xiàn)規(guī)律的曲線線形。式中tanα——山峰或山坡迎風(fēng)面坡度,tanα>0.3時(shí),取0.3;κ——系數(shù),山峰取3.2,山坡取1.4;z——建筑物計(jì)算位置離所在地面的高度,當(dāng)z>2.5H時(shí),取2.5H。其他部位的修正系數(shù),可按A、C點(diǎn)ηA和ηC為1,AB和BC段線性插值確定。對(duì)于A類(lèi)粗糙度,如遠(yuǎn)海海面、海島,修正系數(shù)按表4修正。美國(guó)規(guī)范采用修正系數(shù)Kzt對(duì)Kz進(jìn)行調(diào)整,示意如圖5所示。修正系數(shù)Kzt=(1+K1K2K3))2,這里,,K3=e-γz/Lh,其他參數(shù)如表5所示。3.4風(fēng)壓脈動(dòng)影響風(fēng)力中除了平均風(fēng)以外,還有脈動(dòng)風(fēng)。由于它是隨機(jī)荷載,因而將引起結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng),其理論基礎(chǔ)是隨機(jī)振動(dòng)理論。中國(guó)規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)βz是考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的作用下,隨時(shí)間、空間變異性、結(jié)構(gòu)阻尼和周期等因素,來(lái)計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)作用下,結(jié)構(gòu)動(dòng)力影響的綜合系數(shù)。中國(guó)規(guī)范規(guī)定,高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu),均應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。對(duì)于外形、重量沿高度無(wú)變化的等截面結(jié)構(gòu),由于頻譜比較稀疏,第一振型為主導(dǎo)振型,可僅考慮第一振型影響,沿高度z處的風(fēng)振系數(shù)為:式中ξ——脈動(dòng)增大系數(shù);ν——脈動(dòng)影響系數(shù);φz——振型系數(shù)(應(yīng)由結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析確定,也可采用規(guī)范近似公式或附錄F確定);μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)。美國(guó)規(guī)范的陣風(fēng)影響系數(shù)G或Gf作用和原理與我國(guó)規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)βz相似。對(duì)于剛性結(jié)構(gòu):對(duì)于柔性或動(dòng)力敏感結(jié)構(gòu):式中高度處的紊流密度;Q——背景響應(yīng)系數(shù);gv,gR,gQ——根據(jù)規(guī)范取值系數(shù);R——共振反應(yīng)系數(shù)。3.5風(fēng)速壓力qz由于空氣密度ρ實(shí)際是個(gè)變值,中國(guó)規(guī)范統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為:一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,15℃干空氣密度ρ=1.2018kg/m3,重力加速度9.8m/s2,根據(jù)貝努利公式w0=ρv2/2,得:中國(guó)規(guī)范取w0=v02/1600kPa,即:美國(guó)規(guī)范中與之對(duì)應(yīng)的參數(shù)為風(fēng)速壓力qz,統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為:海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa,15℃下空氣密度ρ=1.225kg/m3,重力加速度9.81m/s2,根據(jù)貝努利公式w0=ρv2/2,得其常數(shù)為0.613,風(fēng)速壓力qz計(jì)算公式為:式中Kd——風(fēng)向系數(shù)(僅用于荷載組合時(shí));Kz——風(fēng)速壓力暴露系數(shù);Kzt——地形系數(shù)。從式(9a)和式(10)可看出,我國(guó)基本風(fēng)壓的常數(shù)1/1630=0.6135,與美國(guó)規(guī)范常數(shù)0.613基本一致。3.6從體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)結(jié)構(gòu)體型的不同,直接影響到作用于建筑物不同表面的風(fēng)荷載大小。相同風(fēng)速的情況下,不同建筑物外形和相同建筑物不同表面產(chǎn)生的風(fēng)壓有很大的差別。中國(guó)規(guī)范風(fēng)載體型系數(shù)μs是風(fēng)在建筑物表面引起的實(shí)際壓力與來(lái)流風(fēng)壓的比值。美國(guó)規(guī)范與之對(duì)應(yīng)的是風(fēng)壓系數(shù)Cp。為了得到各種建筑物表面風(fēng)壓實(shí)際大小及分布情況,一般有兩種方法:一是在實(shí)際建筑物上測(cè)定表面壓力分布;二是縮小比例模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。中國(guó)的風(fēng)載體型系數(shù)經(jīng)過(guò)了一個(gè)不斷完善的過(guò)程,并參考了國(guó)外的資料,得出了現(xiàn)在規(guī)范中較為詳細(xì)的風(fēng)荷載體型系數(shù)表。美國(guó)規(guī)范現(xiàn)階段的風(fēng)壓系數(shù),也是在邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合之前的研究總結(jié)而來(lái)。事實(shí)上,中國(guó)規(guī)范列出的體型系數(shù),大部分根據(jù)國(guó)外規(guī)范整理而成,其中就包括美國(guó)規(guī)范。從體型系數(shù)和風(fēng)壓系數(shù)比較也可看出,兩者大致基本相同,最大的不同主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)美國(guó)規(guī)范風(fēng)壓系數(shù)與建筑物的外形比例相關(guān),并隨設(shè)計(jì)