水泥技术|建筑结构风荷载设计――中国标准与美国标准对照研究

   更新日期:2021-07-19     来源:建材之家    作者:防水之家    浏览:43    评论:0    
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防水之家讯:众所周知,中国国家标准相关建筑结构设计规范,均参考了发达国家现有标准及试验结果,包括美国,日本,加拿大等国家标准。我们采用的以概率理论为基础的极限状态设计法,是世界通用的设计理论,荷载分项系数设计方法则与美国等主要发达国家的设计方法一致,PKPM 系列结构分析软件更是吸收了最先进的有限元空间分析法,能够对各种复杂形体建筑进行精确三维分析,分析结果准确可靠。因此,根据中国标准进行的结构设计,其安全度在世界许多国家和地区均可得到承认。各行各业均有按中国标准完成的EPC 项目,包括水泥,化工,交通,能源等诸多行业。GB 系列建筑结构规范的英文版已经发行,PKPM‐E 也已经面世,这使得国际工程项目设计可以更好的与国际接轨,中国工程师与各国工程师之间的交流与沟通变得更加容易。然而,在具体的工程设计中,依然暴露了一些分歧。比如不同规范中关于荷载组合系数的差异,材料技术性能和试验要求的差异,钢筋搭接长度和构造的差异等。国外项目中关于设计基本风速取值的争论引起了广泛的关注。在国外项目合同中,业主或咨询机构均提出了最大设计风速,例如Maximum wind speed 160km/h。这个风速换算为风速压力约等于1.24KN/M2。从GB50009‐2001“建筑风荷载设计规范”D.4“全国各城市的雪压和风压值”表分析,按照50 年一遇最大风速看,国内能达到这个风压的地区非常少。浙江省嵊泗1.30KN/m2,嵊山1.5KN/m2,象山县石浦1.20KN/m2,福建省平潭1.30KN/m2,东山1.25KN/m2,新疆博乐市阿拉山口1.35KN/m2,海南省西沙岛1.80KN/m2,珊瑚岛1.10KN/m2,台湾宜兰1.85KN/m2,马公1.30KN/m2。这些地区有的是海岛,有的是山口,经常有暴风出现。内陆绝大部分地区风压在0.5KN/m2 以下。一些欠发达国家和地区,气象统计数据的采集年限一般不长,有些国家由于历史或技术原因,没有气象观测数据。这些国家的工程项目,业主或咨询机构提供的场地气象数据可能来自于别国的观测数据,或借鉴别国的数据,其准确性不可靠。例如中东各国,咨询机构要求EPC 项目以160Km/h 最大风速作为基本设计风速。如果用这个最大风速按照中国规范进行结构设计,或直接输入PKPM 进行结构分析,发现风荷载效应特别大,导致结构构件截面偏大,配筋偏高,轻型结构屋面檩条很密,钢结构重量很大。为了使建筑结构风荷载设计更加经济合理,对国际标准与中国标准关于风荷载设计参数取值进行详细研究显得异常迫切。本文对美国规范ASCE7‐2005 MINIMUM DESIGN LOADS FORBUILDINGS AND OTHER STRUCTURES 关于风荷载条款进行分析,找出GB50009‐2001 与ASCE7‐2005 的异同,为国际EP 项目及EPC 项目提供设计参考。ASCE7‐2005 荷载组合公式:1. 1.4(D+F)2. 1.2(D+F+T)+1.6(L+H)+0.5(Lr or S or R)3. 1.2D+1.6(Lr or S or R)+(L or 0.8W)4. 1.2D+1.6W+L+0.5(Lr or S or R)5. 1.2D+1.0E+L+0.2S6. 0.9D+1.6W+1.6H7. 0.9D+1.0E+1.6HD—恒载L—活载Lr—屋面活载F—稳定的流体荷载,产生压力的流体高度固定H—土体,地下水,或散料侧压力E—地震荷载S—雪荷载R—降雨荷载T—自身应力产生的荷载可以看出,ASCE 对于风荷载的荷载分项系数为1.6, 组合值系数为0.8,比GB50009‐2001 对应的分项系数1.4, 组合值系数0.6 高。ASCE7‐2005 规定,风荷载设计可按照三种方式进行,第一种为简化计算,第二种为分析模式,第三种为风洞试验。每种分析方式又区分主要受力结构(Main Wind Force Resisting Structure)和围护结构(Components & Cladding)。ASCE 规定,满足以下条件的建筑物可按照简化方式计算风荷载,各风荷载系数和不同风速下不同部位的压力均可查表直接得出。对于主要受力构件简化计算,应满足以下条件:1、 建筑简单分隔,即风荷载直接通过楼面或屋面传递给主要受力构件;2、 低矮建筑,即建筑高度不超过18m,且平均屋面高度不超过建筑宽度和高度的最小值;3、 建筑为封闭式, 并满足飓风碎片相关规定(飓风碎片区域建筑,门窗玻璃必须作相应防护,否则按照开孔处理);4、 建筑或结构体形规则;5、 建筑为非弹性建筑。建筑基本自振周期大于或等于1s 为弹性建筑,否则为刚性建筑。6、 建筑没有产生以下效应的特征:穿堂风,涡流脱落,驰振或摆动产生失稳。建筑也不位于可能产生隧道效应或振动进而需要特别分析的场地内。7、 建筑在两个方向的截面近似对称,人字形屋面或凹形屋面坡度小于或等于45 度;8、 建筑不会受到扭转风荷载作用,或扭转风荷载在结构计算中不起控制作用。ASCE 规定,对于围护结构简化计算,应满足以下条件:1、 平均屋面高度小于或等于18m;2、 建筑为封闭式, 并满足飓风碎片相关规定;3、 建筑或结构体形规则;4、 建筑没有产生以下效应的特征:穿堂风,涡流脱落,驰振或摆动产生失稳。建筑也不能位于可能产生隧道效应或振动进而需要特别分析的场地内。5、 建筑为平屋面,或坡度不大于45 度的人这字形屋面,或坡度不大于27 度的凹形屋面。ASCE7‐2005 风荷载计算第二种方法为分析法,满足以下条件的建筑,均可用分析法确定风荷载:1、 建筑或结构体形规则;2、 建筑没有产生以下效应的特征:穿堂风,涡流脱落,驰振或摆动产生失稳。建筑也不能位于可能产生隧道效应或振动进而需要特别分析的场地内。不能满足方法一和方法二规定条件的建筑,或者位于特殊场地下的建筑,其风荷载应由风洞试验确定。能用简化方法计风荷载的建筑,也可以用分析法设计风荷载。ASCE 规定的基本风速(Basic wind speed),为C 类场地10m 高度处3 秒钟阵风风速。这与我国的标准10 分钟平均风速有较大差异,也是影响设计结果的关键。在世界上,除中国采用10min 平均最大风速作为设计基本风速外,既有采用3s 阵风风速作为基本设计风速的,也有采用10 分钟平均风速的国家,还有采用1 小时平均风速的国家。表1‐1 主要国家规范中基本风速取样时距表ASCE 场地类别,即地表粗糙度类别划分:B 类:城区,郊区,有树木的地区,或有密集单个家庭或两个家庭居住房屋分布的地区;C 类:稀疏分布高度小于9.1m 的低矮障碍物的空旷地区;D 类:平坦,没有障碍物的地区,以及飓风区以外的海面,也包括泥地,盐地或未破坏的冰面。可见,ASCE 场地类别划分与GB50009‐2001 基本一致,只是类别编码相反,ASCE 的D类场地相当于GB50009 的A 类,ASCE 的C 类场地相当于GB20009 的B 类,ASCE 的B 类场地相当于GB50009 的C 类,而GB50009 的D 类场地,即高层建筑密集且建筑高度较大的中心城区,在ASCE 中应归类为需要特殊研究的A 类场地,即高楼密集的中心城区。ASCE 风荷载设计有两个基本概念,风速度压力和结构设计风压。风速压力(Velocity pressure)qz=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I (N/m2) (6‐15)Kz—风速压力暴露系数,对应于GB50009 的风压高度变化系数μz,但Kz<μz。通过下表1‐2, 1‐3, 1‐4, 1‐5,可以发现Kz 与μz 关系。表1-2 ASCE Velocity Pressure Exposure Coefficient Kz and Kh  场地类别按照ASCE7‐2005 第6.5.6.2 条划分。  Case 1 为建筑受单向风均匀作用,无扭转效应;  Case 2 为建筑受0.75 单项风作用,考虑0.15B 偏心作用产生的扭转效应;  对于规则形体建筑结构,一般仅考虑Case 1 情况。表1-3 GB50009-2001 表7.2.1 风压高度变化系数 μz

场地类别按照GB50009‐2001 7.2.1 条划分。表1‐4 Kz/μz ASCE 与GB50009 风压高度变化系数的比值场地类别按照GB50009‐2001 7.2.1 条划分。表1‐5 Kz/μz ASCE 与GB50009 风压高度不变化系数比值的平均值 场地类别按照GB50009‐2001 7.2.1 条划分。可见,ASCE 的风速高度变化系数比GB50009‐2001 的风压高度变化系数小,高度越高,Kz/μz 比值越小。Kd—风向调整系数,GB50009‐2001 中无此项。该系数是对风速的折减,该系数对于矩形烟囱,储存罐取0.90,其它形状烟囱,储存罐取0.95,十字形絎架截面取0.95,对于其它建筑物取0.85。该系数仅当风荷载与其它荷载进行组合设计时采用,如果只有风荷载作用,Kd=1.0。V—基本设计风速,即3s 阵风风速I—建筑重要性系数。ASCE 按照建筑功能和破坏后果严重性,将建筑分为四个等级,I级为次要建筑,I=0.87,II 级为一般建筑,I=1.0,III 级为重要建筑,I=1.15,IV 级为特别重要建筑,I=1.15。这个系数在GB50009‐2001 中已经考虑,对于一般工业与民用建筑,重要性系数取1.0,与ASCE 一致。主体结构风压P=q.G.Cp‐qi.G.Cpi (6‐17)对于建筑整体计算,不考虑内部压力,则P= q.G.Cp维护结构风压P=qh(G.Cp‐GCpi) (6‐22)计算维护结构时,G.Cp 作为一个系数,根据不同部位查表获得。此时可认为阵风系数G=1.0。q—建筑外部风压,迎风面取高度z 处的风速压力,背风面取平均屋面高度h 处的风速压力;qi—建筑内部风压,一般取屋面高度h 处的压力;Cp—外部压力系数,对于墙体,迎风面取0.8, 背风面按照建筑长度与宽度比值L/B 取不同数值。当风作用于建筑尺寸B 面时,L/B=0‐1, Cp=‐0.5L/B=2, Cp=‐0.3L/B>=4, Cp=‐0.2侧面墙体风压系数Cp=‐0.7可以看出,Cp 相当于GB50009‐2001 7.1.1‐1 中的体形系数μs,取值也与GB 一致,只是增加了不同建筑长宽比时的背风面负压力系数。ASCE 考虑建筑平行于风方向尺寸与迎风尺寸比例越大,背风面所受吸力越小。G—阵风系数。这个系数是与GB50009‐2001 差异的关键。ASCE 公式6‐4—6‐14 给出了刚性建筑和柔性建筑的阵风系数计算方法。为了获得ASCE 阵风系数的取值范围,有必要通过一些建筑模型来计算和分析G 值。假设这些建筑都是规则矩形截面,全封闭,平屋顶,场地类别ASCE‐C。表1‐6 不同建筑模型阵风系数GASCE 对于阵风系数的定义与GB50009‐2001 相反,对于维护结构G=1.0,主体结构G<1,原因是ASCE 以最大阵风风速作为基本设计风速。而GB50009‐2001 以10min 平均风速作为基本设计风速,对维护结构进行阵风修正,效果与ASCE 是相同的。这也反映出,不可以直接将3s 最大风速作为中国规范的设计基本风速进行结构计算,而应该予以折减。具体折减系数取多少合理,可以通过ASCE7‐2005 和GB50009‐2001 风压计算公式比较分析。ASCE 中,P= q.G.Cp,q=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I,则P=0.613Kz.Kzt.Kd.V2 .I.G.Cp (N/m2)GB5009‐2001 中,Wk=η.βz.μs.μz.w0GB50009‐2001 7.4 规定,建筑自振周期大于0.25S,或建筑高度大于30m,高宽比B/H>1.5m 的高柔建筑,应考虑顺风振动效应βz(βz>1)。而ASCE7‐2005 规定建筑自振周期T>1S 时才算柔性结构,这两者差别较大。 GB50009‐2001 对于βz 的计算比较复杂,为了简化分析,本文假设βz=1.0,这样对于本文分析结果是偏于安全的。根据上述分析可以发现ASCE7‐2005 用于结构设计的风压P 与GB50009‐2001 的WK 之间有三处差别:1、 ASCE 考虑风速方向系数Kd =0.85,GB50009‐2001 无此项;2、 ASCE 风压高度变化系数KZ 比GB50009‐2001 的μz 小,见表1‐5 比值;3、 ASCE 计算主体结构考虑阵风系数G<1,而GB50009‐2001 计算主体结构时阵风系数为1.0。设P=Wk,假定βz=1.0,μs=Cp,η=Kzt,I=1.0,G 值取表1‐6 数据,风压高度变化系数Kz/μz 取表1‐5 比值,可以推算出V10min 与V3s 的相应比值。表1‐7 V10min / V3s 比值

 场地类别按照GB50009‐2001 7.2.1 条划分。例如,如果已知场地阵风风速为160Km/h,建筑高度为40m,场地类别B,根据表1‐7可以计算出按照GB50009‐2001 进行风荷载设计所需要的基本风速为0.79x160Km/h=126.4Km/h,设计基本风压W0=0.77KN/m2。应当注意,1、 表1‐7 并非根据气象资料分析得出,与实际情况可能有较大差别。表1‐7 只是为缺乏10min 平均风速气象统计数据条件下按照中国标准GB50009‐2001 进行结构风荷载设计提供依据,使计算结构尽量接近ASCE 要求。2、 表1‐7 给出的10min 风速与3s 风速比值考虑了风向系数Kd=0.85,而ASCE 规定,如果结构只承受风荷载,如围护墙墙板和檩条,女儿墙,屋檐,轻质屋面檩条等,Kd=1.0。因此,表1‐7 仅使用于主体结构计算。对于维护结构,建议直接采用3s 风速作为基本设计风速按照GB50009‐2001 设计,取阵风系数等于1.0,按照不同部位的体形系数和风压高度变化系数进行设计,风压高度变化系数可以按照表1‐5 进行折减。另据广东省深圳,汕头,汕尾,惠来,电白,南雄,韶关,湛江,徐闻等九个国家标准气象台1995‐1999 风速统计数据分析显示,日极大风速与10min 平均风速之间有相关性,可以建立回归评估方程。这九个地区的50 年一遇基本风压在0.70KPa‐0.85Kpa 之间,即V10min在33m/s‐37m/s 之间。在已知日极大风速条件下,可以根据回归方程推算10min 平均风速,也可以在已知10min 平均风速条件下,根据回归方程推算日极大风速,以此判断观测数据的正确性。设10min 平均最大风速为Y,极大风速为X,则Y=0.86+0.502X±1.5按照不利情况计算,即取Y=0.86+0.502X+1.5,计算不同极大风速下的10min 平均风速。表1-8 10min 平均风速与极大风速比值

从回归方程得出的10min 平均风速与极大风速比值均比表1‐7 比值小,风速越高,10min平均风速与极大风速比值越小,因此,采用表1‐7 比值将3s 阵风风速换算为10min 基本风速用于建筑结构计算是偏于保守的。结论与建议进行国外项目设计时,应搞清楚业主或咨询机构提供的现场最大设计风速的具体含义,其可能是3s 极大风速,10min 平均基本风速,或是1h 平均风速。还要注意获取的风速重现周期。一般项目设计应使用50 重现期,如果获取的场地风速不是50 年重现期,应根据GB50009‐2001 D.3.4 换算为50 年重现期的基本风速。无论是ASCE 还是GB50009‐2001,基本设计风压均应考虑地形修正系数。当拟建项目场地位于山脊,山口,陡坡边缘等场地,或飓风碎片影响区域,应考虑风速修正或采取防护飓风碎片措施,可能增加项目成本。项目合同签订前除搜集足够的气象信息外,应当对场地地形进行实地考察,正确判别场地类别。如果业主或咨询机构提供的场地基本风速为3s 极大风速,而又无法获得10min 平均风速气象资料,无需进行风洞试验的形体规则的建筑结构风荷载设计,可以参考表1‐7 将场地3s 风速换算成对应于中国规范的10min 平均风速,并按照中国建筑结构荷载规范GB50009‐2001 进行主体结构分析,这样的计算结果与ASCE 的Method 2—Analytical procedure比较接近。维护结构计算比较简单,建议采用3s 风速按照ASCE 要求进行受力分析和结构设计。也可采用3s 风速按照GB50009‐2001 设计,此时应取阵风系数等于1.0,风压高度变化系数根据表1‐5 折减。参考资料/References1. ASCE7‐2005 MINIMUM DESIGN LOAD FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES,American Society of Civil Engineers(ASCE)2. GB50009‐2001 LOAD CODE FOR THE DESIGN OF BUILDING STRUCTURES, China national code3. Relationship between maximum 10‐minutes average wind speed and instantaneous wind speed and estimating equation—Chen jinguan, and Li shaobin, Guangdong Metrological bureau, China4. Definition of Wind Profiles in ASCE, Yin zhou,and Ahsan Kareem, M.ASCE, USA防水之家是专注防水,泥水,防水材料,防水涂料的新闻资讯和防水,防水材料,防水涂料等各十大品牌的装修效果图和网上购物商城,敬请登陆防水之家:http://fangshui.jc68.com/
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