中外规范基本风速对比分析

刘天英,等:中外规范基本风速时比分析

中外规范基本风速对比介析刘天英齐秋平13 00 21 ) (东北电力设计院,长春

摘

要:为了解开涉外项目中部分工程技术人员的困惑,针时目前中外规范中基本风速定义不同的情况,通过对美

国 !英国一欧盟 !德国 !俄罗斯 !日本 !印度和中国规范基本风速定义中的标准高度 !时距 !重现期 !地面粗糙度类别等要素进行逐一对比分析,得出各国规范中基本风速定义的异同"基于上述规范基本风速的对比分析结论,进一步探讨了不同规范间基本风速的转换选取方法,以确保步外项目的风荷载取值合理"关键词:基本风速;标准高度;时距;重现期;地面粗糙度类别

C O M P A R IS O N A N D

A N A L Y S IS O F B A S IC W IN D S P E E D

IN

C H IN A A N D

F O R E IG N

CO D ES

L一 u T一 anyi ng

Q一 Q一 uP一 ng

(N o rth一 E as t E le etrle P o w e r D es一 g n In st一 tu te . C h a n g eh u n 13 0 0 2 1, C h ln a )

A B ST R A C T: T h e definiti on of basi e w ind sp eed In C hinese and forei g n eod es 1 5 di fferent at p resen t, to el a ri fy th e d o ub ts o f som e eng i n eer i n so m e fo rei g n p rojeets, after an al yzing the el em en ts o f ba si e w i n d speed su eh as stan dardh e ig h t, rim e in te rv a l, m e a n re e u rr e n e e in te rv a l, ea te g o r y o f g ro u n d s u rfa e e ro u g h n e s s et e in th e eo d e s o f A m e r ie a,

B ri tai n一 E urop e, G err n any, R ussi a, Japan, In dia and C h i n a eo m parati v ely . the sam e and differen t po i nts of basi e

w ind sp eed w ere ob tained. T o en sure th e v alu e o f w i nd l o ad i n f o rei g n P ro j eets w as reason ab l e, b ased o n eo m p ari so na n d a n aly sis re su lt s o f b a sie w in d lo a d in eo d e s m e n tio n e d a b o v e, fu r th e r d is e u s s io n w a s m a d e to th e eo n v e rs io n a n d s ele e tio n m e th o d o f b a s ie w in d s p e e d zn d iffe r en t e o d e s. K E Y W O R D S: b a s ie w in d s p e e d; s ta n d a rd su r fa e e ro u g h n e s s h e ig h t; tim e in t er v a l; r n ea n re e u rre n e e in te rv a l; e a te g o ry o f g ro u n d

0

前

言

德国风荷载规范 D IN 1055~4口第 7章中风压与风速的关系与中国基本相同,风压 q一p扩/ 2 vZ/ 1 600,其中产= 1. 25 kg/m 3, v为基本风速, m/s,该公式是在气压为 1.0 1 3又10 5 Pa和 1 0 e的条件下给出的[ j" 2美国建筑结构最小设计荷载规范 A s c E 7一 0 1 1 38中,速度压力计算公式如下田:q,= 0 . 6 1 3 K Z K:T K d, 2 (2)

随着我国/走出去 0战略的实行,越来越多的工

程公司到世界各地去承揽项目,但各国规范之间的差异始终困扰着广大工程技术人员"风

荷载是作用在建 (构 )筑物上最基本的荷载之一,风荷载的选取与结构的安全性和经济性关系非常大"如果项目设计采用的是中国规范,标书中基于其他规范给出的风荷载需转换成基于中国规范的风荷载,才能用于

中国的设计规范体系,反之亦然"G B S""" 9一200 1 5建筑结构荷载规范 61 2 (以下简称 G B 50 009 )根据经典的贝努利公式:w"=户 2/2七 vZ/1 60 0 (l )

式中:q:为速度压力 N/m Z;,为基本风速, m/S;K d为风向系数;K z为速度压暴露系数;K"为地形系数"由公式 (2 )可以看出,若不考虑系数,基本风压部分是与中国 !德国基本相同的"其他国家的规范对于基本风压的公式也基本如

其中,二"为基本风压, k N m Z;尸为空气密度, k g/ m 3;v为基本风速, m/ s#

公式( 1 )的推导过程如下:二 b一阿/ 2士对/(29 ),其中, y为空气容重, kN/m 3; g为重力加速度, m/52"在标准大气压下,取 y= 0 .0 12 0 8 kN/m 3,g= 9.81 m/ 52,则了/(29 )二0.0 12 0 18/ (2 K 9.81 ) ! 1/1 6 30,为方便起见,一般情况下取 y/ ( 29 ) 1/1 6 00"S te e l C o n s tru e tio n . 2 0 1 2 ( 1 2 ), V o l. 2 7, N o . 1 6 6

此,只是因为地理位置及条件不同而略有差异,从工程上来讲没有影响,这里不再一一列举"由此可见,各国关于基本风压的公式均在贝努利公式的基础上,东北电力设计院院控科研项目 (K 20 1 2一" 09 )"第一作者:刘天英,男, 1975年出生,高级工程师"E m ai l:liu tian y i n g@ n ep d i. n e t

收稿日期:2012一08一 31

57

标准与规范

得出,并无差异,根本的差异在于基本风速的定义"由 G B 5000 9一 200 1中基本风压的定义可知:基本风速为当地空旷平坦地面 (规范中地面粗糙度

一般说来,时距越长,基本风速越小,目前,时距常取 3 5或 1 0 m i n"表 2列出了各国规范基本风速的时距取值"表2国家中国美国

B类 )上 1 0 m高度处 5 0年一遇 1 0 mi n内的平均最大风速"可见,基本风速主要涉及到以下几个要素:标准高度 !时距 !回归期及地面粗糙度类别"下面从这几个方面对基本风速进行对比分析" 1标准高度在同一个地点,风速随高度而变化,越靠近地面,风速越小;离地越高,风速越大川"因此,标准高度的取值对基本风速有很大的影响"各国规范中基本风速标准高度的取值见表 1"表l国家中国美国英国一欧盟德国俄罗斯

各国基本风速时距取值规范条款2.1.22

时距/m i n

G B 5 0 0

0 9 U B C 9 7[5 2 A S C E 7一 10工 32 IB C 2 0 0 9 1 62 BS E N 1991一 l一 41 7二 D IN C H Hf l 10 5 5一 4仁 22 2 .0 1. 0 7 1 82 A

S eetio n 1 6 1626.2 1 60 9 . 1 . 1 4.27.1 6.4 3 1)3 1)

日本印度

A IJ L o a d C o d e仁,215:8 75 P art 3=10]

6.1.35. 3. 1

::::

注:l )时距单位为秒"

各国基本风速标准高度取值规范条款标准高度/m

从表 2可见,各国基本风速的时距基本上取为 3 5或 1 0 mi n,时距不同,所求得的基本风速不同"目前不同时距间的基本风速换算主要依据美国标准 A SC E 7一 0川规范 (图 1),利用 t s的平均最大风速 1与 l h平均风速之比曲线对不同时距的风速进行换算"

G B 500 09 1,8条款 2.1.221 99 7 U n ifo rmM i n im u m

B u ild in g C od e[52 s ee tio n 2 6 1 6;

::

D esig n L oa d s fo r B uild in g s a n d O th -

e r S tr u etu re s( A S C E 7一 10) 1 3 2C la u se 2 6 . 2;20 1 2 In te rn atio n a l B u ild in g C o d e二 6 2 C la u se

16 0 9 . 1. 1

英国欧盟德国

E u ro e od e l: A etio n s o n S tru etu re s一 P a rt l一 4:

10

G en era l A etio n s一 W ind A etio n s ( B S E N l一 4: 2005 ) 1 72C lau se 4 . 2D esig n L o a d s fo r B u ild in g s W i nd

19 9 1-

::l0

1二仁工}日川巨了7工川 l一 J 1二}丁丁}川}}一 1二} 9厂 7}}1 1}巨二一巨 1}}}}1 11二 L工工}}l}}}巨二一} g万厂 7 l({1 1=~7下}川川 1二盯}川}一=二}=,护耳二二 LIl l} j巨了厂二二}l}川川 1二口二二川 l 1巨二二}

川1川 1 1}}川川 ){}}}}}} 1}}}} l! !

L oads o n ( D IN

日斗酬日日姗巨巨田姗日洲洲=二口二二 .1} )}} 1二二}工日}川一二{丁丁}1111}}=口} 1{}}}川厂一7 7}}}}l{{1二口k k}}}l! !巨二二 E 1}}111}}巨二二}=一 7 7}}}川川I丁丁!门一一 N}川川 1}丁丁 .1}川川1二三三{广 7下}}l{{{}~7 7}l叫l l巨二:工 l川> l一 1二{ 7, rl二 l{l{{l l压了了厂下}l})}> .压二厂厂厂 1}}}l}厂下 1厂曰,}l 8川}~厂 7 l}}}{l} 7 !刁刃刃}11{}{厂二一 ll() l (X )沈 s/ l ()(拭 j

S tru e tu res U n su s eeP tib le ro V ib ratio n 1 0 5 5一 4一 2005)二 2 2C lau s e 7 . 1

}}}{! l}}} l}}} 1}}} (}!{ I}} l}l}}川川 ){}{} i{{l() ( M贾 )

俄罗斯

负载和作用力 (e H on 2.0 1.02一 55 . ) 1 s二 el ause6.4

1O

日日喇巨民姗医田洲圈叶删{{

日本

A IJ R e eo m m e n d atio n s fo r L o ad s o n B u ild in g s[9 2 C lau se A 6 . 1. 3 fo r D es ig n L o ad s ( O th er

lO

图1lO

t s的平均最大风速与 l h平均风速之比困

印度

C od e o f P ra etiee

T han

E a rth q u ak e )

fo r B u ild ing

an d

S tru e-

例:已知 3 5基本风速巧,求 1 0 mi n基本风速 v" 6""从图 1可以看出 v3/v36""= 1.52,饥""/饥6""= 1.0 7;

则 v6""~ 1.O 7v3/ 1.52一0 .7O v"" U BC 9 7中基本风速的取值为最大英里风速,最大英里风速是基于 1英里长的空气样本通过一个固定点时间的最高持续不变的平均风速[ j"如果在 5国际项目标书中给出的是基于 U B C 9 7的基本风

tu res, P art 3 W in d L o a d s (15: 87 5 P a rr 3一 19 8 7 )石 2"了C la us e 5 . 3 . 1

从表 l中可以看出,所列出的各国规范中基本风速的标准高度均为 1 0 m"假设标书所给规范中标准高度不是 1 0 m而是 a,测得该处的风速为 v,则 lo m高处的基本风速 v"一 v ( a/ 10 )/,式中,(a/ Io)一/为标准高度换算系数,平坦开阔处 (相应于

速,可以先换算为时距 3 5的基本风速"IB C 20 09第 160 9 . 3.1款中给出了最大英里风速与 3 5基本风速之间的换算关系:vf m= (v3一 10 .5 )/ 1.05 (3)

中国规范场地粗糙度类别 B类 )地面粗糙指数 a取0.1 6" .

2

时

距

式中:vf m为最大英里风速, m ph;v3为 3 5基本风速,

时距是确定基本风速的时间间隔,基本风速是

规定时距内的平均风速,其数值与时距的取值有很大关系,不同的时距取值可以得到不同的基本风速"

m p h, lm p h= 0.44m/s 1 .2"通过上述公式求出3 5基本风速后,再根据图 1进行其他时距基本风速的换算"钢结构 20 12年第 1 2期第2 7卷总第 1/期

董家华,等:多层大型框架柱上牛腿安装制作方法

3

重现期

害类别,根据每个建 (构 )筑物的风灾害类别,采用不同的基本风速重现期"风灾害为工类的次要建 (构 )筑物基本风速重现期为 30 0年,一般的 1类建 (构 )筑物为 70 0年,而重要的 m !W类建 (构 )筑物为1 700年[3# 62"

在长期的气象观察中发现,超过基本风速的情况并不经常出现,而是间隔一定的时期后再出现,这个间隔时期称为重现期"重现期不同,基本风速不同,因而重现期在概率意义上体现了结构的安全度"重现期为 T年的基本风速,在任一年中只超越该风速一次的概率 (年超越概率 )为 1/ T"如果重现期 T为 50年,则年超越概率为1/50= 0.0 2"表 3列出了各国规范中基本风速的重现期或年超越概率"表3国家中国美国英国一欧盟

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了风速重现期换算系数进行计算仁口"日本建议以重现期为 10 0年的风速为基准,换算系数 -表达式为:T !,

各国基本风速重现期(或年超越概率 )规范 G B 50009 1,习 U BC 97[5

二 BS E N 1991一 l一 4[ 72

条款2.1.22 S e etion 16 1 6

重现期/ a (或年超越概率 )5O

尤一石丽丽万=

夕 (T )

U .匕勺一 U . U日匕In} lf l l二二 ee w se s丁 ! l

L

!1一 1/ J

(4 )

(0 . 0 2 ) 5 0 (0 . 0 2 )(0 . 0 2 )

式中:T为重现期, a"欧洲钢结构协会规定的换算系数是以重现期为 0年的风速为基准,其表达式为: 5 K一叔丽万升梁不J:一" .13I n7一I n1.oU - ( LF( T )

德国俄罗斯日本印度

D IN 1055一 4二 22e H on Z, 0 1.07二:2 A IJ L oad C ode[ 9二 15: 5 75 Pa r t 3仁 ! o二

又: .

50 10 0 5O

一李 )2{

(5)

美国新版规范 A S C E 7一 0及 IB C 20 1 1 2则将建 (构 )筑依据遭受风灾时的损失大小划分为 4个风灾表4了 !/a5 0 0 697 793 10 0 .771 0 .8 5 8 l5

式中:T为重现期, a"

不同重现期间的换算系数见表 4

重现期换算系数 3O 5O

08 2 2 9 1

10 0 1 . 00 0 1.060

200 1. 0 6 9 1 12 0

30 0

700 1. 19 2 1. 2 2 9

1 7001.279 1.310

日本建协欧洲钢协

0.8120.894

0.0.

0.882 0.956

0.932 1. 0 0 0

.109.156

另外需要说明的是,结构设计使用年限内风速超标的概率计算公式为: r= 1一[ l一 (1/T ) 2 L (6 )式中:T为基本风速的重现期, a;L为结构设计使用年限,a"

相反,风吹过光滑的地面,则风速减小慢"由于地表

的不同影响着风速的取值,因此有必要为基本风速规定一个共同的标准"目前用于测量风速的风速仪大都安装在气象台,一般离城市中心有一段距离,且周围为空旷平坦地区"表 5给出各国规范基本风速的地面粗糙度类别"表5国家中国美国

若公式 (6 )中 T和 L取为 5 0年,则:的值为3 .6%,也就是说在 5 6 0年的结构设计年限中,重现期为 5 0年的风速至少有一次超标的概率约为 63. 6纬"美国规范 A SC E 7一 0中风灾害类别为 1 1类 !建 (构 )筑物 5 0年结构设计使用年限中,重现期为7 0"年的风速至少有一次超标的概率仅为 7%"可见美国基本风速取值要比中国规范大得多,但也不可简单认为美国规范的可靠度比中国高,因为在荷载组合中,美国规范的风载分项系数取为 1.0[ 22,而中国规范取 1.4"

各国基本风速地面粗糙度类别规范条款 2. 1.22 seeti on 1616 26.Z 1609. 1.I 7. 1 6.4A 6.1.3

类别 B类平坦开阔 C类平坦开阔 C类平坦开阔 C类平坦开阔 n类平坦开阔平坦开阔平坦开阔平坦开阔

G B 50009 U B e 97 A SC E 7一 10 IBC 2012

英国一欧盟德国俄罗斯日本

BS E N 199 1一 1一 4 4.Z I N 105 5一 D 4 C H/ n Z.o l o 7A U Lo a d C ode

印度

15:875 P art 3

5.3. 1

1类平坦开

阔

从表 5中可以看出,各国规范的基本风速均是4地面粗糙度类别在平坦开阔处测得"

风吹过粗糙的地面,能量损失多,风速减小快;Steel C o n strueti o n. 20 12 (12 ), V o l .2 7, N o 16 6

(下转第 2 4页)

科研开发

3

结

论

)试件的混凝土与缀条板的荷载一应变曲线也 4

)模型的建立充分考虑了外包钢混凝土柱的作 1用机制,选取了合理的材料力学模型,为研究外包钢混凝土柱的力学性能提供了有限元分析方面的参考" )从试件的破坏形态可以得出:偏心荷载作用 2下,构件受压一侧的应力较大,角钢 !混凝土和钢筋均达到了材料的屈服应力,而远离受压一侧部分屈服较晚或者构件并未完全屈服" )试件在不同偏心距情况下荷载一跨中挠度曲 3线的形状基本相似,但曲线走势的舒缓程度不同,曲线一般都由线性增长 !非线性增长和水平发展 3个阶段组成"弹性变化范围内,荷载一跨中挠度曲线呈直线增长,当构件达到了极限承载力,进入弹塑性阶段时,由直线变为曲线,而后曲线开始下降"当偏心率较大时,则在试件接近极限承载力时,外荷载增量很小,而构件的变形却增长较快,其曲线平缓,反映出偏心率越大,试件跨中挠度的变形能力越大,但试件的刚度逐渐减小;试件的偏心距越小,其极限承载力越大,非线性的发展历程也越长,而水平发展阶段相对较短,反之亦然"

能够反映出钢筋混凝土柱在外包钢的约束下延性明显增强,变形能力加大"材料的压应变大于拉应变,符合实际的受力特点,说明了有限元模拟的可靠性" )通过对外包钢柱与混凝土柱滞回关系曲线的 5

比较可知,由于外包钢骨架约束作用的存在,使构件的延性性能大大提高,比单纯的混凝土柱的延性性能明显增强"由此可得,构件的含钢率越大,延性性能也越大"参考文献L工厂 Jj Je| s,.,乙 n

清华大学,东南大学,天津大学,等 .混凝土结构设计原理[M 8.北京:中国建筑工业出版社 .20 0 4 .

刘文锋,混凝土结构设计原理 1M 2 .北京:高等教育出版社,2 00 4: 19 1.s厂 e L工刁 L I re门 lI s曰咔办 k, J月

韩林海 -钢管混凝土结构 )版社, 200 4#

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黄海燕,张子明 .混凝土断裂能的统计分析[J j .水利水电技术, 2004, 35(9):95一 97.

刘展 .A B A Q U S 6.6基础教程与实例详解 7M].北京:中国水利水电出版社, 2008 .

(上接第

5 9页)5结语[3 2 A SC E 7一 10. M i ni m um D esi gn L oad s f o: B ui l ds n gS and ()ther Struetu r es[S 2 .[4 2吴瑾,夏逸鸣,张丽芳 .土木工程结构抗风设计 1 M 8.北京:科学出版社, 2007 .

各国规范均自成体系,切不可断章取义,简单套用"基本风速如果选取不当会造成严重后果,或导致结构的经济性较差,甚至难以接受,或存在严重的安全隐患"为了安全经济地做好国际项目,一定要弄清楚标书中给定风速所基于的规范,必要时需进一步澄清其重现期的取值,进行相应的换算,然后才能用到相应的规范体系中"参考文献[1 2 G B 5000 9一200 1建筑结构荷载规范[s 2 .[2 2 D IN 105 5一 4一 200 5. D esi gn LoadS f o: Bui l ding s W i nd L oads onS truetures U nsuseepti bl et o Vi brati on仁 S2 .

仁 sj

U ni f or m Bui l di n g C ode 1 S2 . 199 7.

1 62 I nr ernati onal B ui l di ng C ode[S 2 .20 12.[7 2邵 EN 1991一 l一 4, 2005 E ur oeod"l: A eti ons o n St ruetur es巨 S2 .仁 sj e H on 2.0 1.07一 55 .负载和作用力[S 2 .仁 92 A I J R eeom m endat i on s fo: Load"on B ui l di ngs[S 8.仁 10 2 15, 575 P arr 3一 1957. C ode of P raeti ee fo: D esi gn L oads (O rhe r T h an E a rth q ua k e ) fo r B u ild in g an d S tru e tu res, P a rt 3 W in d

LoadS[S 2 .[11 2 xnternati onal B ui l di ng C ode[S 2 .200 9. 1 12 8刘迪,李立昌 . 2010年版美国建(构 )筑物荷载规范有关风荷载的部分修改简介 1 J2 .钢结构, 20 1 1, 26(2 ):4 2一4 3#

#信

息#

由中国建筑科学研究院 !中国土木工程学会桥梁及结构工程分会空间结构委员会主办,福州大学土木工程学院承办的第十四届空间结构学术会议暨庆祝空间结构委员会成立 3 0周年于 20 1 2年 n月 1一4日在福州隆重举行"来自全国 2 3个省 !市 !自治区的设计 !科研 !高校和企业等 11 6个单位的 28 0位代表参加了会议"本次大会的主题是/三十年来我国空间结构的进步 !发展与今后展望 0,除了邀请 5位国内知名专家就当前空间结构发展的重要问题及空间结构中的重大工程做大会发言外,还有 1 0 0余篇论文以分组发言形式进行学术交流"

钢结构

20 12年第 1 2期第2 7卷总第 16 6期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n4j4.html