中俄标准顺风向风载计算比较

2015-04-01刘天英丁雪涛张之川

吉林电力 2015年4期

刘天英，丁雪涛，张之川

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

随着中国与俄罗斯及其他一些独联体国家经贸合作的日益深入，国内工程公司开始在这些国家和地区执行电厂项目。由于设备及资金等原因，电厂工艺及土建结构的设计一般基于中国标准（以下简称中标）。项目设计由中国工程师完成，图纸的校核与确认工作由俄罗斯工程师完成，这为项目执行带来很大的障碍。俄罗斯工程师对俄罗斯标准（以下简称俄标）熟悉，不了解中标，而中国工程师正好相反。为便于中俄工程师沟通并顺利执行项目，了解中俄标准的异同非常必要。作为作用在建（构）筑物上基本荷载之一的风载，控制建（构）筑物的安全，如果风载取值不当，结构存在安全隐患以及增加工程造价的可能性。风载可进一步细分为顺风向风载（平行于风向）、横风向风载（垂直于风向）和扭转风载，在结构设计中最常见的是顺风向风载，因此有必要对比中俄标准顺风向风载的计算差异，并探讨对计算结果的影响。

1 顺风向风压

对于主要受力结构，目前各国风荷载标准值主要有两种表达方式，其一为平均风压加上脉动风引起结构风振的等效风压；另一种为平均风压乘以风振系数。中国、美国、澳大利亚等国家主要采用后一种表达式，而俄罗斯、越南等国家采用第一种表达式。

中国规范GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定：当计算主要受力结构时，顺风向荷载标准值ωk＝βzμsμzω0，其中βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压。公式考虑地面粗糙程度、建（构）筑物的体型和尺寸以及建（构）筑物自身动力特性等因素对风压的影响，根据经典的贝努利公式，基本风压ω0，其中ν0为基本风速，则。

俄罗斯标准СНиП2.01.07－85＊《负载和作用力》中顺风向风载标准值Wk为静力部分Ws和动力部分Wp之和。静力部分Ws＝W0kc，其中：k为风压高度变化系数；c为空气动力系数，基本风压W0，v0为基本风速。当条件不同时，WP的表达式不同，详见3.3节。WP与Ws有关，为便于对比，引入系数G，则Wp＝GWs，Wk＝Ws＋GWs＝（1＋G）Ws。为建立Wk与v0之间的关系，进一步推导得出，，系数（1＋G）相当于中标的βz。

从中俄标准风压公式中可以看出，风压标准值均是在基本风速平方的基础上乘以一系列系数得到。数值系数的不同主要是空气密度取值不同造成的，其他系数虽然在形式上有点区别，但各系数之间有大致的对应关系。

2 基本风速

中标基本风压：一般按当地空旷平坦地区10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按经典的贝努利公式确定的风压，基本风压，ρ为空气密度。从基本风压定义可以推出ν0的定义，ν0为当地空旷平坦地区（中标地面粗糙度B类）10m 高度处50年一遇10min内的平均最大风速。俄标v0定义与中标不同，为当地空旷平坦地区（俄标地面粗糙度A 类）10m 高度处5年一遇10min内的平均最大风速。

中俄标准基本风速定义主要不同有两点：地面粗糙度及重现期。中俄标准地面粗糙度的对应关系详见3.1节；重现期中国取50年，而俄罗斯取5年。风载参数的取值虽然不同，但可以相互换算。对于不同重现期间基本风速的换算，日本、欧洲钢结构协会规定以风速重现期换算系数进行计算，见表1［1］。

表1 重现期换算系数η

从表1可以看出俄罗斯基本风速v5与中国基本风速ν50的关系为v5＝0.793×ν50。可见对于同一地区，俄标的基本风速为中标基本风速值的0.793倍。

3 基本风压参数

3.1 风压高度变化系数

风速随高度不同而变化，在不同的地形，变化规律也不相同［2］。风速随高度增大变化的规律，主要取决于地面粗糙度。中俄标准均采用风压高度变化系数来体现风压的变化。

中标地面粗糙度分为A、B、C、D 四类，详细描述见GB 50009—2012中8.2.1条，为便于应用，风压高度变化系数的取值列于GB 50009—2012 表8.2.1。俄标将地形种类分为三类，类别A：沿海海岸、湖泊和水库、沙漠、森林草原、苔原；类别B：城郊、平均障碍物高度超过10m 的林地和其他地区；类别C：城市建筑高度超过25m 的地区。从地形类别的数量上看，中标为四类，俄标为三类；从字面描述上看，界限并不清晰，俄标的A 类地形含有中标的A 类及部分B 类，俄标B 类与中标B 类相当，而俄标C类则与中标C、D 类接近。GB 50009—2012表8.2.1中10m 高度A 类地面基本风压为1.28倍B类地面基本风压，则10m 高度A 类地面基本风速为1.13倍B类地面基本风速。作为基本风速中俄标准间的转换，具体设计时，如果由俄标向中标转换，俄标A 类地面直接等同中标B 类地面，这样偏保守；如果由中标向俄标转换，中标B 类地面基本风速应乘以1.13倍后转换为A 类地面基本风速，再等同于俄标的A 类地面基本风速。俄标同样采用风压高度变化系数k表示不同地形风速随高度的变化规律（见表2）。

3.2 体型系数

风荷载体型系数可通过风洞试验或在建筑物实测得到，用来反映作用在建筑表面上实际压力与速度压的比值关系，也称为压力系数、力系数、空气动力系数等。该系数主要与建筑物的体型和尺寸有关，因此中标称为风荷载体型系数，实际就是面上的加权平均压力系数。GB 50009—2012表8.3.1中详细列出不同类型的建（构）筑物体型及其体型系数μs，中标区分结构的迎风面和背风面，两个面上荷载的方向均沿着风荷载作用的方向。对于小于45 m常规矩形截面建筑物的体型系数，迎风面为＋0.8，为压力，背风面－0.5，为吸力；对于超过45m 的矩形截面建筑物的体型系数，还与矩形的长宽比有关。

表2 俄标风压高度变化系数k

与中标风荷载体型系数对应的是俄标的空气动力系数c，在СНиП2.01.07－85＊附件4中根据建筑物的体型和尺寸详细列出。对于棱柱形建筑物，进行结构的整体计算，采用正面的阻力系数cx，没有区分结构的迎风面和背风面，是一个综合数值，详见其附件4中13项。

俄标的空气动力系数c值随建筑的高宽比、长宽比及风的进攻角的变化而变化，考虑的因素较多。中标低矮矩形截面建筑体型系数为定值，超过45m高的矩形截面建筑体型系数仅与长宽比有关。

3.3 风振系数

中标给出z高度处的风振系数βz＝1＋2gI10Bz（1＋R2）1/2，其中：g 为峰值因子，取2.5；I10为10m高度名义湍流强度，对应A、B、C 和D 类地面粗糙度，分别取0.12、0.14、0.23和0.39；R 为脉动风荷载的共振分量因子；βz为脉动风荷载的背景分量因子，βz的计算按GB 50009—2012 第8.4 节的相关规定进行。以下情况考虑风振系数：对于高度大于30m 且高宽比大于1.5的房屋，基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构。

俄标规定建在地形类别A、B 区域高度小于40 m 的多层建筑、高度小于36 m 的单层建筑且高宽比小于1.5时，风载的脉动分量可以忽略。如果需要考虑动力部分，按结构基本自振频率f1与俄标规定的限制频率fL之间的相对关系，分为三种情形计算。限制频率fL的值按表3确定，表中δ为振动衰减值。对于混凝土、砖石结构及带有围护的钢框架结构，δ值为0.30，限制频率为fL1；对于塔、桅杆、钢烟囱、带有混凝土平台钢柱形设备，δ值为0.15，限制频率为fL2。

表3 俄标风压分区、风压值及限制频率之间关系

a.当结构基本自振频率f1大于限制频率fL时，风压动力部分Wp＝ζ×υ×Ws，其中：ζ为脉动风压系数，查СНиП2.01.07－85＊中表7可得到；υ为脉动风空间相关系数，按俄标6.9条计算。

c.对于刚度、质量、迎风面宽度不随高度变化的高层建筑，高度Z 处风压的动力部分可按下式简化计算Wp＝1.4（z/h）ζWph，式中：h 为建筑总高度；Wph为高度h 处脉动风压标准值，Wph＝ζυWs。

中俄标准的风振系数均是考虑第一振型的随机振动理论推导得出，相当的顺风向风振系数均大于1.0。虽然公式不同，均考虑了地形类别、脉动增大、结构共振、空间相关等因素。

4 算例

算例1，某封闭建筑，钢筋混凝土框架结构。平面尺寸为20m×20m，总高度20m，共6层，每层高约3.33m。位于俄标地形类别A 类，风压分区为Ⅳ区，W0为0.48kN/m2，相应的v0为28.1 m/s。对应中标的粗糙度类别B 类，ν0为35.4m/s，ω0为0.78kN/m2，中标风振系数βz＝1.0，俄标不需要考虑脉动风影响。为便于计算，将总高20 m 分为2段，下部10m 及上部10m。基于中俄标准的风荷载计算对比见表4，表中S为迎风面积，中标的体型系数为迎风面与背风面矢量和。

表4 中俄风荷载计算对比

算例2，某钢结构框架，设钢支撑，螺栓连接，金属墙板封闭。平面尺寸为30 m×30 m，每层高3.33m，共30层，总高度为100m。俄标参数：地形类别A 类，风压分区为Ⅳ区，W0为0.48kN/m2，相应的v0为28.1 m/s。相应的中标参数：地面粗糙度类别B类，ν0为35.4m/s，ω0为0.78kN/m2。结构的基本自振周期3.75s，第一振型自振频率为0.3 Hz。用GB 50009—2012与СНиП2.01.07－85＊分别对风荷载进行计算，本例刚度、质量沿高度均匀分布，采用俄标c类用公式Wp＝1.4（z/h）ζWph，计算。为便于对比，均取10 m 一段。中俄标准风振系数对比见图2，中俄标准分段点风载对比见图3。