中欧风荷载规范的对比研究.doc

中欧风荷载规范的对比研究第2卷第1期2010年3月V01.2No.1Mar.2O1O中欧风荷载规范的对比研究薛颖亮李云贵(中国建筑科学研究院软件所,北京100013)【摘要】本文简要介绍了欧洲规范1中关于风作用的计算方法,对计算中需要用到的参数分别进行了说明.对中欧风荷载规范的基本风速,粗糙度类别划分,动力响应参数等进行了对比分析,并对算例的数值结果进行了初步比较和评述.【关键词】风荷载;地面粗糙度;动力响应【中图分类号】TU023【文献标识码】A【文章编号】16747461(2010)010078041引言风荷载是建筑物的主要荷载之一,甚至在某些建筑物中的效应起主导的作用.如果建筑物的抗风设计不当,可能使建筑结构产生大的变形和振动,让建筑中的人感觉不适或是让设备不能正常工作,甚至还可能使建筑物产生局部破坏或整体破坏,对人的生命安全造成威胁.而在整个欧洲范围内,风暴带给建筑结构的损害都是一个特别严重的自然灾害.特别是在人口相对稠密的城市地区,风灾害实际上是最为严重的自然灾害之一,每年都会造成巨大的经济损失.1990年发生了8起重大的风暴,波及至少l0个西欧国家,总共造成150亿欧元左右的损失.几乎每年风暴灾害都给欧洲国家的国民经济带来严重的负担.在一些拥有很长的海岸线和山区地形为主的国家,发生风暴的频率更高.本文主要工作是对欧洲规范1中风荷载作用的规定进行简要介绍,并与中国荷载规范中相关部分的内容进行初步比较分析.2欧洲规范风作用计算方法欧洲风荷载规范prEN199114适用于计算高度200m以内的建筑和结构工程,以及跨度200m以内的桥梁的风荷载.对于设置核心筒等扭转振动明显的结构,以及需要考虑多阶振型的结构等不在此部分规范讨论范围之内.此规范中,确定风荷载作用的大小有两种方法:一是使用形状系数采用力系数的力系数法;二是通过外表面压(吸)力,内表面压(吸)力和风摩擦力三部分求和的求和法.对于广告牌和具有特定形状截面的一些结构构件,计算作用在其上的风荷载时使用力系数法.对于一般建筑物而言,通常采用求和法.力系数法的计算风压力Fw公式为:F=ccd.cs?qp(z)'A(1)式中:CsC一结构系数;cs一结构整体或结构性构件的力系数;g()一基准高度处的峰值风速压力;A,一特征面积.对于求和法,当平行于风向的结构表面面积大于或等于垂直于风向的结构表面面积的4倍及以上时,才考虑风摩擦力的影响.在外围护构件多孔的情况下才考虑内表面风压.因此在一般的建筑结构的风荷载计算中,仅用计算外表面压力一项.求和法的计算公式为:外表面压力:F=cc(Ze)?c?A(2)【作者简介】薛颖亮(1985一),男,硕士研究生,主要研究方向:建筑工程计算机软件设计与计算.01064517848Email:xueyingliangl3163.tom中欧风荷载规范的初步比较研究79内表面压力:F=(Zi)?Cpi?A(3)摩擦力:.q(Ze).A,r(4)式中:Csc一结构系数;A,一特征面积;c一摩擦系数;A一平行与风向的外表面面积.Cpe,Cp一分别为外,内风压力压力系数.上述两种方法的计算公式在形式上有相似之处,同样都是用结构系数来反应结构在风作用下的动力特性,适用于不同的建筑结构形式.计算某高度处的峰值风速压力时,同时考虑了风速平均值和短期的风速脉动.由下式确定:qp(z)=【1+7?().1?P?2()=C()'q6(5)式中:q6一基本风速压力,q6=1?P?z7;C(z)暴露系数,C(z)=q(z)/q6=1+7?Iv(z)c;c:.,一湍流强度;C地形系数;c.粗糙度类别划分.结构系数CsC是另外一个重要的参数,实际上是尺寸系数C和动力系数C两部分的乘积.分别是考虑了作用在结构表面的峰值风速压非同时发生的减弱效应和由于气流脉动而产生的结构振动的增强效应.通过规范附录中的方法可以确定.3中欧风载规范部分内容的比较3.1基本风速(风压)欧洲规范中基本风速规定为空旷地区lOm高度处10min以内的平均年最大风速,年超越概率为0.02,即重现期为50年.EN1991一l一4中用暴露系数c(z)对基本风速风压进行修正,其中包括了对地面粗糙度,地形和风湍流影响的考虑.我国GB500092001建筑结构荷载规范中采用相同规定的基本风速,计算转化为基本风压,再考虑地面粗糙度和地形的影响.中国规范没有作专门湍流强度说明,但在推导风振系数的过程中引入了描述脉动风压标准差沿高度变化规律的变量,脉动系数(,.根据中国规范中的脉动系数,结合湍流强度的定义,可得到与其对应的湍流强度为,:0.1X3.5?'m(z/lO)一a(6)式中为地面粗糙度指数,对应于A,B,c和D四类地貌,分别取0.12,0.16,0.22和0.30.和欧洲规范的湍流强度作比较,以中国规范C类地面粗糙度,欧洲类地面粗糙度,lOm高度处的湍流强度为例.中国规范计算得到湍流强度为0.114,欧洲规范的计算结果为0.285.中国规范湍流强度的取值比欧洲规范小很多,同时在其他粗糙度场地不同高度处也同样得到中国规范湍流强度取值比欧洲规范小得多的结果.中欧规范湍流强度大小的差异也影响到作用在建筑上各层的风荷载计算结果的差别.3.2地面粗糙度分类中国和欧洲风荷载规范中对于粗糙度的场地类别划分也有区别.建筑结构荷载规范将地面粗糙度分为A,B,c,D四类.欧洲风荷载规范EN199114中把地形类别分为五类,分别是0,I,.要实现规范间参数之间的换算和比较,首先就需要了解粗糙度分类的对应关系.地面粗糙度对风速剖面的影响,中欧规范分别是用风压高度变化系数和粗糙度系数来表示的,并且分别采用的是指数律和对数律的表达形式.按照中欧规范对各地面粗糙度类别的描述见表1,以及如图1所示的结果,可以认为中国规范A类场地对应于欧洲规范0和I类场地,B,C,D类场地分别对应于,类场地.表1中欧规范中粗糙度分类表述的对比汇总表建筑结构荷载规范欧洲规范EN1991140海面或接近开阔海面的近海地区耄,I湖面或无障碍物,植被可忽略海岸,湖岸及沙漠地区;'罩卓B类指田野,乡村,丛林,丘有矮小植被(草地),或者有孤立障陵以及房屋比较稀疏的乡碍物(树,建筑物)且障碍物间的间隔镇和城市郊区;不小于障碍物高度的20倍的地区c类指筑群的有星要秦被,城市市区;D类指有密集建筑群且地表15%的面积被建筑物覆盖并且房屋较高的城市市区.建筑物平均高度超过15m的地区从图1中可以看到,由于指数律和对数律的差别,两参数的值随高度增加差异增大.采用指数律的中国规范风压高度变化系数值普遍相对较大,只有在对应于欧洲规范的0和I类粗糙度场地的A类粗糙度场地上,中国规范的相应数值较小.n00.2a40.60,81.01.2141.61.82022242.62.83.032欧洲规范粗糙度系数的平方和中国规范风压高度变化系数值图1风压高度变化系数和粗糙度系数的平方值沿高度变化关系图3.3顺风向动力响应实际的湍流强度是沿高度变化的,欧洲规范中为了使结构系数常数化而进行简化,沿整个结构高度的结构系数都用基准高度处的值来统一代表,这一点与建筑结构荷载规范的规定差异较大.宽度为20m,层高3.3m,共6层,总高度为19.8m的钢筋混凝土结构,在III类地形环境中,基本风速为35m/s.表2为分别用中欧规范计算其动力特性的结果.表2动力系数和结构系数沿高度的取值表19.82.6710.8701.656中国建筑结构荷载规范中,风作用的动力影响是通过风振系数来表达的.中国规范中的p同时考虑了风的脉动和结构的风振效应,相对于中国规范的风振系数B对平均风压的放大比率,欧洲规范的CscC值明显较大.确定风振系数的参数均沿高度变化取值,没有进行像欧洲规范EN199114的简化.4算例比较某一建筑物总共66层,层高3.3m,总高度为198m,平面布置为20m(30m的矩形.试用中国风规范和欧洲风规范,取相同的基本风速(12.65m/s)和形状系数(1.3),在两规范相应的粗糙度场地上,计算在20m宽度受风面上的各层风荷载.经过简单计算,由得到的数据结果绘制见图2.200l5O童赵100惶500200l5O毒0o超500I520253O354o455055风荷载8lOl214161820222426283032343638风荷载图2欧洲规范和中国规范中相应粗糙度场地上风荷载计算结果比较图欧洲规范采用分段的方法计算峰值风压力,沿整个建筑高度的结构系数(考虑顺风向风振影响的系数)均取基准高度处的值;而中国规范中风荷载按沿高度变化计算的.因此欧洲规范在结构上下段处各层风荷载相同,风振影响在全高度都取为相同,近似程度较高.欧洲规范风荷载计算峰值风压力时考虑了短期湍流的影响,C和结构系数CsC的乘积比中国规范的风振系数13要大,堕懈一一挪9一6一趴一一201n】3一中欧风荷载规范的初步比较研究81因此在各层处的风荷载欧洲规范计算结果比中国规范都大了许多,在较高建筑的顶部,由于指数律和对数律的差别,风荷载值的差距有减小的趋势.5结论通过算例的数值计算结果比较,可得到如下初步结论:1)中国风荷载规范和欧洲风荷载规范基本风速(风压)采用的是基本相同的测定标准和超越概率;2)经过分析比较可近似认为中国规范A类场地对应于欧洲规范0和I类场地,B,C,D类场地分别对应于,类场地;3)中国风荷载规范和欧洲风荷载在考虑顺风向风振影响时差异比较大.欧洲风规范用基准高度的动力特性代表整个结构的动力特性,考虑的湍流作用比中国规范的取值大,使欧洲规范中的顺风向风振影响的放大作用比中国规范大;4)在风作用计算结果中,在建筑结构较低的部位欧洲规范计算的风作用要远大于中国规范的计算结果.随着高度的增加,由于地面粗糙度修正的指数律和对数律的差别,中国规范的风荷载计算结果和欧洲规范的计算结果的差距逐渐减小.参考文献1WindResisitantDesignofStmctures,http./cordis.europa.eu/tmr/'src/res980342.htm,2009.2prEN19911-4,Eurocodel:ActionsonstmcturesGeneralactionsPartl-4:WindactionsS.3GB50009-2001,建筑结构荷载规范S.北京:中国建筑工业出版社5洪小健,顾明.顺风向等效风荷载及响应主要国家建筑风荷载规范比较J.建筑结构,2004,34(7),3943.TheComparisonoftheWindActionbetweenEurocodeandChineseCodeXueYingliang,LiYungui(InstitutionofBuildingEngineeringSware,ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China)Abstract:Thebasiccontentofwindactioncalculationfor"Eurocode:ActionsonstructuresGeneralactionsPartl-4:Windactions"issummarized.ItiscomparedthattherelevantprovisionsbetweenEurocodeandChinesecode"loadcodeforthedesignofbuildingstructure"aboutthebasicwindvelocity,terrainroughnessanddynamicresponsefactor.Andresultsofaexamplecomputedonthetwocodesarealsocomparedanddiscussed.Keywords:WindAction;TerrainRoughness;DynamicResponse