中國與美國規(guī)范對圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算的對比研究

向宇

[摘要]隨著涉外工程數(shù)量的增加，國內(nèi)設(shè)計院被越來越多地要求采用美國規(guī)范進行涉外工程設(shè)計。作為幕墻設(shè)計中最重要的荷載參數(shù)之一，比較了圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載在中、美兩國荷載規(guī)范中計算方法和計算參數(shù)的異同。并通過某海外項目立面幕墻風(fēng)荷載的計算實例，深入分析了兩國規(guī)范計算結(jié)果差異的原因，為涉外項目幕墻設(shè)計提供參考。

[關(guān)鍵詞]荷載規(guī)范； ACE/SEI 7-22； 風(fēng)荷載； 圍護結(jié)構(gòu)； 幕墻； 對比

[中國分類號]TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

隨著“一帶一路”倡議的落實，沿線國家對于機場、體育場館、醫(yī)院、會展文博等項目建設(shè)的需求越來越迫切，越來越多的海外項目進入了國內(nèi)設(shè)計院的設(shè)計范圍。作為國際通用的主流規(guī)范，美國規(guī)范在全世界范圍內(nèi)被廣泛采用，因此海外項目的業(yè)主通常要求國內(nèi)建筑設(shè)計院將美國規(guī)范作為項目設(shè)計的主要依據(jù)，而國內(nèi)規(guī)范只作為參考。在此環(huán)境下，熟悉和掌握美國規(guī)范，了解美國規(guī)范與中國規(guī)范的異同，合理地使用美國規(guī)范，成為了越來越多國內(nèi)設(shè)計師的迫切需求。

在幕墻設(shè)計中，風(fēng)荷載是非常重要的工程設(shè)計依據(jù)。風(fēng)荷載標準值的選取對幕墻體系的安全性和經(jīng)濟性影響非常重大。在設(shè)計海外項目的幕墻工程時，幕墻設(shè)計人員是否熟悉美國規(guī)范與中國規(guī)范在風(fēng)荷載計算時的差異就顯得尤為重要。

本文結(jié)合實際的海外項目設(shè)計經(jīng)驗，對美國規(guī)范和中國規(guī)范中圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標準值的計算進行了對比研究，為廣大的幕墻設(shè)計師提供參考。本文所采用的規(guī)范分別為GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［1］和“Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures” ACE/SEI 7-22［2］（下文簡稱ACE/SEI 7-22）。

1計算公式

根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第8.1.1條，計算圍護結(jié)構(gòu)時，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標準值應(yīng)按式（1）計算。

wk=βgzμs1μzw0（1）

式中：w0=υ20/1600（按標準空氣密度ρ=1.25kg/m3計算）；wk為風(fēng)荷載標準值（kN/m2）；βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；μs1為風(fēng)荷載局部體形系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓（kN/m2）；υ0為基本風(fēng)速（m/s）。

根據(jù)ACE/SEI 7-22第30章，美國標準將圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算分為了5種情況：低層建筑（h<18.3 m）、高度大于18.3 m的建筑、開放式建筑、建筑附屬物和屋頂結(jié)構(gòu)及設(shè)備、非建筑結(jié)構(gòu)。由于篇幅限制，本文以低層建筑（h<18.3 m）為例，對美國規(guī)范的計算原理和基本參數(shù)進行分析說明，并與中國規(guī)范進行對比，希望能起到拋磚引玉的作用。

根據(jù)ACE/SEI 7-22第30.3.2條規(guī)定，低層建筑的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)壓為式（2）。

p=qhKd［（GCp）-（GCpi）］（2）

式中：qh=qz=0.613KzKztKeV2;p為設(shè)計風(fēng)壓（N/m2）;qh為平均屋面高度下的風(fēng)速壓力（N/m2）;Kd為風(fēng)向因子（ACE/SEI 7-22：26.6）;GCp為外壓系數(shù);GCpi為內(nèi)壓系數(shù);Kz為風(fēng)速壓力暴露系數(shù)（ACE/SEI 7-22：26.10.1）;Kzt為地形因子（ACE/SEI 7-22：26.8.2）;Ke為地面高程系數(shù)（ACE/SEI 7-22：26.9）;V為基本風(fēng)速（ACE/SEI 7-22：26.5）;qz為高度z處的風(fēng)速壓力（N/m2）。

從上述中國和美國標準風(fēng)荷載計算公式中可以看出，兩國標準的計算原理和計算參數(shù)基本一致，設(shè)計過程均以基本風(fēng)速為基礎(chǔ)，通過基本風(fēng)速計算出基本風(fēng)壓，最后根據(jù)不同的建筑形體，綜合考慮地面粗糙度、地形條件等因素進行修正后確定風(fēng)荷載標準值。

2基本參數(shù)

2.1基本風(fēng)速

根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 8.1.2條文說明，按照基本風(fēng)速的標準要求，將不同風(fēng)速儀高度和時次時距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算為離地10 m高，時距10 min平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速。

而根據(jù)ACE/SEI 7-22 26.5.3規(guī)定，以場地類別為C類的場地離地10 m，時距3 s的陣風(fēng)風(fēng)速，按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速。

從表1可以看出，中、美兩國規(guī)范在計算基本風(fēng)速時，場地類別和平均風(fēng)速時距上的取值并不相同。不同風(fēng)速時距與10 min風(fēng)速時距的平均比值可按表2進行換算［3］，根據(jù)換算關(guān)系可知：

美國基本風(fēng)速V≈1.42×中國基本風(fēng)速υ0

上述差異是由于平均風(fēng)速時距取值不同而造成的。時距越短，風(fēng)的脈動作用越明顯；時距越長，所囊括的不同大小峰值的風(fēng)速越多，風(fēng)速越趨于穩(wěn)定。因此，中國規(guī)范中平均風(fēng)速時距值越大，基本風(fēng)速取值越小。

2.2場地類別

中國標準GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將地面粗糙度分為了A、B、C、D 4類；美國標準ACE/SEI 7-22則將場地類別分為了B、C、D 3類。兩者的地面粗糙度類別對比詳見表3。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，兩國規(guī)范對地面粗糙度的定義剛好相反。其中中國規(guī)范B類和C類地面粗糙度可以大致分別對應(yīng)美國規(guī)范C類和B類地面粗糙度。

2.3陣風(fēng)系數(shù)

中國規(guī)范采用陣風(fēng)系數(shù)描述風(fēng)壓脈動對圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生風(fēng)振的影響，按式（3）進行計算。

βzg=1+2gI10（z/10）-α（3）

其中分別考慮了不同高度z處的峰值因子g、10 m高名義湍流度I10及地面粗糙度指數(shù)α對陣風(fēng)系數(shù)的影響。

2.4局部體形系數(shù)

由于作用于建筑物表面的風(fēng)壓并不均勻，在圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算中，建筑物邊角區(qū)域、檐口、雨篷等部位，局部風(fēng)壓會超過建筑物表面一定范圍的平均風(fēng)壓，繼續(xù)采用風(fēng)荷載體形系數(shù)進行圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的計算不再合理。因此中國規(guī)范引入局部風(fēng)壓體形系數(shù)來考慮建筑物表面風(fēng)壓分布不均勻而導(dǎo)致局部部位的風(fēng)壓超過全表面平均風(fēng)壓的實際情況。同時結(jié)合建筑物內(nèi)部實際存在孔洞、縫隙和機械通風(fēng)的因素，提出了建筑物內(nèi)部壓力的局部體形系數(shù)，用于更加精確的反映圍護結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載。

在此基礎(chǔ)上，中國規(guī)范還考慮了計算非直接承受風(fēng)荷載的圍護構(gòu)件，如屋面檁條、幕墻龍骨等時，從屬面積對局部體形系數(shù)的折減，使設(shè)計工作更精細化，有效節(jié)約材料成本。

2.5內(nèi)壓系數(shù)與外壓系數(shù)

美國規(guī)范則采用外壓系數(shù)與內(nèi)壓系數(shù)的差值來描述結(jié)構(gòu)形體和風(fēng)壓脈動對建筑物表面風(fēng)壓的影響。其中，外壓系數(shù)（GCP）區(qū)分了墻面（walls）、平屋頂和坡屋頂（flat roofs， gable roofs， and hip roofs）、傾斜自由屋頂（pitched free roofs）、階梯屋頂（stepped roofs）、多跨山墻屋頂（multispan gable roofs）、單坡屋頂（monoslope roofs）、鋸齒形屋頂（sawtooth roofs）、圓頂屋頂（domed roofs）、拱形屋頂（arched roofs）、吊頂面（bottom surfaces of elevated buildings）等不同的情況，并考慮不同建筑部位和有效受風(fēng)面積的影響。

內(nèi)壓系數(shù)（GCPi）則根據(jù)不同的建筑圍護結(jié)構(gòu)分類分為封閉建筑、部分封閉建筑、部分開放建筑、開放建筑，并按不同的分類進行內(nèi)壓取值。

2.6風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz和風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz

在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨著離地高度的增加而增大，同時受地面粗糙度和溫度垂直梯度的影響。中國和美國規(guī)范中分別采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz和風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz來描述不同地形和高度對風(fēng)壓的影響。

由于地形對風(fēng)荷載的影響較為復(fù)雜，對于山區(qū)和遠海地區(qū)，兩國規(guī)范都考慮了特殊地貌對風(fēng)壓的影響。中國規(guī)范引入了修改系數(shù)η對風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz進行修正，美國規(guī)范則引入地形因子Kzt對風(fēng)速壓力暴露系數(shù)Kz進行調(diào)整。

3工程案例

以某海外工程為實例，分別采用中國規(guī)范和美國規(guī)范對該項目的立面幕墻所承受的風(fēng)荷載標準值進行計算，并與該工程提供的風(fēng)洞試驗結(jié)果進行比較。

根據(jù)項目資料：立面玻璃幕墻最高標高11.3 m。美國標準基本風(fēng)速44.4 m/s，相當(dāng)于中國標準基本風(fēng)速31.3 m/s。地面粗糙度美國標準為C類，相當(dāng)于中國標準B類。

由此可以確定兩國規(guī)范中風(fēng)荷載計算的各項參數(shù)以及最終風(fēng)荷載標準值結(jié)果見表4。

從表4可以看出，由于美國規(guī)范在圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的計算過程中更加詳細的對建筑形體進行了分類，得出的外壓系數(shù)與內(nèi)壓系數(shù)更趨近于實際情況，因此得出的計算結(jié)果偏小，對工程造價控制更有利；而中國規(guī)范中主要通過局部體形系數(shù)這一個參數(shù)來體現(xiàn)建筑形體對圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響，因此計算結(jié)果偏大，更偏于保守。

4結(jié)論

（1）中國和美國規(guī)范在計算圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標準值時的基本原理是相同的，都是通過計算得出基本風(fēng)壓或基本風(fēng)速壓力后，再考慮地面粗糙度、地形條件、高度、風(fēng)振動力影響等因素對風(fēng)荷載標準值進行修正。

（2）美國規(guī)范在確定基本風(fēng)速時對時距的要求與中國規(guī)范不同，在進行對比分析時應(yīng)注意時距的轉(zhuǎn)換。

（3）美國規(guī)范對地面粗糙度的分類方法與中國規(guī)范相反。

（4）美國規(guī)范在計算圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載時對建筑的形體分類更為細致，對影響風(fēng)荷載大小的各類影響因素的考慮也更加嚴謹。

（5）通過對比計算，在低層建筑的圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算中，中國規(guī)范的計算結(jié)果數(shù)值更大，更偏于保守。

參考文獻

［1］建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB50009-2012 ［S］.

［2］ACE/SEI 7-22 Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structuresp ［S］ .

［3］劉剛. 中國與美國規(guī)范風(fēng)荷載計算分析比較［J］. 鋼結(jié)構(gòu)， 2010.25（12）， 47-52.