中国和阿尔及利亚风荷载计算方法对比

臧传田　郭小农　刘林林　曾强　黄玮嘉

(1.中国建筑股份有限公司阿尔及利亚分公司,北京 100026; 2.同济大学建筑工程系,上海 200092)



中国和阿尔及利亚风荷载计算方法对比

臧传田1郭小农2,*刘林林2曾强1黄玮嘉2

(1.中国建筑股份有限公司阿尔及利亚分公司,北京 100026; 2.同济大学建筑工程系,上海 200092)

摘要风荷载是建筑结构的主要荷载之一,在某些建筑结构中甚至起主导作用。随着我国建筑施工单位的业务不断国际化,以阿尔及利亚为代表的非洲建筑市场得到了越来越多的关注;我国建筑企业在阿尔及利亚的业务不断增长,因此有必要学习和掌握阿尔及利亚规范。简要介绍了阿尔及利亚规范中关于风荷载的计算方法和计算原理,并与中国规范进行对比,总结了两国规范在风荷载的计算方法和参数取值上的异同。

关键词风荷载, 阿尔及利亚, 体型系数, 风振系数

Comparative Study on the Wind Load Calculation MethodBetween the Code of Algeria and China

ZANG Chuantian1GUO Xiaonong2,*LIU Linlin2Zeng Qiang1HUANG Weijia2

(1.China State Construction Engrg.Corp.Ltd Direction General Pour L’ Algeria,Beijing,100026,China;

2.Department of Structural Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractThe wind load is one of the most important loads for the civil engineering works, and it even plays a dominant role in some structures. With the internationalization of business of Chinese construction companies, the Africa construction market, represented by Algeria has got increasing attention. As the business of Chinese construction entities in Algeria is growing, therefore, it is necessary to learn and master the Algeria standard. This paper introduced the calculation principle and method of wind load in Algeria standard briefly, compared that with Chinese codes, and summarized the similarities and dissimilarities of them.

Keywordswind load, Algeria, pressure coefficient, wind-induced vibration coefficient

1引言

风荷载是建筑结构的主要荷载之一,在某些建筑结构中甚至起主导作用。如果结构的抗风设计不恰当,可能会使建筑结构产生较大的振动和变形,影响设备的正常使用和人的舒适度;甚至还可能使结构产生局部破坏,乃至整体破坏,对人的生命安全造成威胁。

随着我国建筑施工单位的业务不断国际化,以阿尔及利亚为代表的非洲建筑市场得到了越来越多的关注。阿尔及利亚位于非洲西北部,北临地中海,是非洲第四大经济体。2005年来,阿尔及利亚一直在大力进行大型基础设施建设;近年来,我国企业在阿尔及利亚建筑市场中的份额不断扩大,项目数量和规模不断增大;因此,了解阿尔及利亚的风荷载计算方法及其原理是非常有必要的。

本文以阿尔及利亚康斯坦丁万豪酒店项目为背景,简要介绍了阿尔及利亚现行规范[1]中关于风荷载的计算方法和计算原理,并与中国《建筑结构荷载规范》(GBJ 0009—2012)[2]以及《高耸结构设计规程》(GBJ 0135—2006)[3]的风荷载计算方法进行对比。

2阿尔及利亚风荷载计算方法

2.1　适用范围和建筑类型

《阿尔及利亚风雪荷载规范》(D.T.R.C 2—47)[3]中关于风荷载的内容适用于高度在200 m以内的一般房屋、高层建筑和仓储工程,以及采用桁架式的竖直构筑物(如铁塔、升降机、脚手架等)。规范将建筑物分为两类:类型Ⅰ包括所有常见的房屋建筑(如工业厂房、民用建筑等)和仓储工程(仓库、水塔、贮藏塔等);类型Ⅱ主要是指高压线铁塔、升降机、脚手架等镂空桁架结构和烟囱等高耸结构。

对于类型Ⅰ的建筑,风压力标准值的计算公式如下:

(1)

式中,Cd为动力系数;Ce为高度为z处的感风系数;Cpe为外部压力系数;Cpi为内部压力系数;qref为基本风压,根据风区取值。

对于类型Ⅱ的建筑,风压标准值的计算公式如下:

(2)

式中,Cfj为总压力系数;其余参数的意义和式(1)完全一致。

在我国《建筑结构荷载规范》(GB20009—2012)[1]中,风压标准值的计算公式如下:

(3)

式中,wk为风荷载标准值;βz为风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;w0为基本风压。

对比式(1)-式(3)可以发现,阿尔及利亚规范和我国规范关于风荷载的计算方式和参数定义基本相同,阿尔及利亚规范中的动力系数Cd相当于我国规范中的动力系数βz,感风系数Ce相当于风压高度变化系数μz,压力系数Cpe, Cpi,Cfj对应于体型系数μs。计算时,都是用感风系数(或高度系数)对基本风压进行调整,用动力系数来反映结构在脉动风作用下的动力响应,并采用压力系数考虑建筑物体型的影响。下文将对计算公式中的各个参数逐一进行对比。

2.2　基本风压qref

基本风压qref根据基本风速计算得到,其计算公式为

(4)

式中,Vref为基本风速;ρ为空气的密度,取1.20 kg/m3。

根据阿尔及利亚规范的规定,各风区的基本风速和基本风压取值如表1所示。

关于基本风速的规定,阿尔及利亚规范和我国规范是相同的:基本风速Vref规定为空旷平坦地区离地10 m高度处10 min平均最大风速,重现期为50年,年超越概率为2%。阿尔及利亚规范基本风速所对应的地貌是I类地貌。从表1可以看出,阿尔及利亚Ⅰ区(如地中海南岸的阿尔及尔)的基本风速,和我国的重庆市基本相当。

表1基本风压和基本风速取值表

Table 1　The value of basic wind pressure andbasic wind velocity

2.3　动力系数Cd

阿尔及利亚规范中的动力系数的取值与结构材料以及建筑物的高度和宽度有关。对于高度200 m以下的一般房屋或烟囱,动力系数Cd可以根据图1确定。当高宽比很大时,无法根据图1查询Cd的值,此时可以采用下述公式计算:

(5)

大部分情况下Cd可直接查图1确定,故式(5)的具体计算在此不再赘述。

图1　动力系数Cd值Fig 1　The value table of dynamic coefficient Cd

相比于中国规范,阿尔及利亚规范中的动力系数Cd主要有以下几个特点:首先,在实际工程中,湍流强度是沿高度变化的,阿尔及利亚规范为了简化公式,将整个结构高度的动力系数都用基准高度处的值来统一代表;而中国规范中,采用风振系数βz来考虑脉动风作用下的风振响应,风振系数βz沿高度是变化的。其次,阿尔及利亚规范中的动力系数不仅考虑了湍流产生的共振,还考虑了结构表面风压力不完全相关引起的减弱效应,因此其值可能小于1,尤其是高宽比较小的结构,其动力系数一般小于1;而我国规范中,风振系数一般都大于1。

2.4　感风系数Ce

感风系数Ce是考虑地面粗糙度、场地因素和地面高度等因素的一个参数,当结构对动力激发不敏感时,其计算公式如下:

(6)

式中,KT为由地面粗糙度类别决定的常数;Cr为粗糙度系数;Ct为地形系数;z为参考点的高度。

当结构对动力激发敏感时,还需采用另外的公式进行计算,此处不再赘述。

2.4.1地面粗糙度系数Cr

为了计算地面粗糙度系数,首先需要对地貌类别进行划分。阿尔及利亚规范中对地面粗糙度的划分如表2所示。从表2可以看出,阿尔及利亚规范和中国规范对地面粗糙度的划分大概一致,阿尔及利亚的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类地面粗糙度分别对应中国的A、B、C、D类地面粗糙度。

地面粗糙度系数Cr考虑了地面粗糙度类别和结构高度对平均风压的影响,其计算公式如下:

式中,z0为标准高度;zmin为最小高度。式中的KT,z0和zmin可根据表3查询得到。

从式(7)可以看出,地面粗糙度系数和我国规范中的高度系数相当,均是考虑地面粗糙度类别和结构高度的参数。从式(6)可以看出,阿尔及利亚的风荷载大致是和地面粗糙度系数的平方成正比关系;而从式(3)可以看出,我国的风荷载大致是和高度系数成正比关系。图2给出了Cr2和μz的对比关系图,图中CHN-A代表中国规范中A类粗糙度情况下μz与离地面高度的关系曲线,RNV-Ⅰ代表阿尔及利亚规范中Ⅰ类地面粗糙度情况下Cr2与离地面高度的关系曲线,其余类推。从图2可以看出对应相同的粗糙度类别,Cr2的值稍大,但两者相差不多,说明两国规范在考虑地面粗糙度和结构高度对风压影响时采用的原则大概一致。

表2中阿规范对地面粗糙度的划分和描述

Table 2　The classifications and descriptions of surface roughness in Chinese and Algerian Code

图2　Cr2和μz的对比图Fig.2　The comparison between Cr2 and μz

表3地面类型及相关系数取值

Table　The values of coefficients related tosurface roughness

2.4.2地形修正系数Ct

地形修正系数是考虑到当风吹过山岭、起伏地面等障碍物时,风速会加快而引入的一个系数。地形修正系数可以按表4取值,对于高原和山岭附近的地形,阿尔及利亚还给出了更为精确的计算公式,此处不再赘述。我国规范中,对于山区的建筑,同样也考虑了地形修正系数η。对于山间盆地、谷地等闭塞地形外,η取值为0.75~0.85之间。其余情况下η取值均大于1。对于远海和海岛建筑物,风压计算时也需要考虑修正系数。

表4地形系数取值

Table　The value of terrain coefficient

2.5　压力系数

从式(1)可以看出,对于I类建筑,可以采用内部压力系数和外部压力系数之差来计算总压力系数;而对于Ⅱ类建筑,规范直接给出了总的压力系数Cf;Cf的计算需要考虑到建筑物体型以及涡流振动等因素,计算相对复杂,此处不作介绍,下文主要介绍最为常见的I类建筑的压力系数计算。

外部压力系数与风向和建筑物外部形状等因素有关,是关于受荷面积的递减函数。阿尔及利亚规范给出了矩形建筑、圆形建筑以及不同形式的屋顶等数十种常见建筑的外部压力系数。内部压力系数与建筑物门窗洞口、透风比率有关。对于不透风的建筑,内部压力系数取0。对于独立屋顶,按最不利情况取值,内部压力系数取0.8和-0.5。其余情况下,内部压力系数的取值都可以根据建筑物形体在规范中查表得到。

阿尔及利亚规范中的内外压力系数之差Cpe-Cpi,相当于我国规范中的体型系数μs。图3给出了最为典型的双坡屋顶封闭厂房的体型系数对比。从图3可以看出,阿尔及利亚规范中将双坡屋顶划分为5个区域,并按照每15°的坡度给出了各个区域的外部压力系数,比我国规范要细致一些;但两国规范的体型系数取值差异不大。图4给出了典型的穹顶体型系数的对比。通过图4可以发现两国规范对于穹顶结构的体形系数取值也是大致相同的。

3具体算例

下面以康斯坦丁万豪酒店钢结构穹顶为例,比较阿尔及利亚规范中的风荷载和我国风荷载计算的异同。万豪酒店钢屋顶是一个圆形穹顶结构,其东西向宽度为16.5 m,南北向宽度为16.5 m,最大跨度16.5 m,最大矢高约为13 m。具体尺寸详见图5。结构基本周期为0.237 9 s。

表5给出了按照阿尔及利亚规范计算穹顶风荷载的计算过程和计算结果。表6给出了按照我国荷载规范计算穹顶风荷载的计算过程和计算结果。计算时,假定该穹顶位于上海,地面粗糙度类别为B类。对比表5和表6可以看出,康斯坦丁的风荷载和上海地区大致相当。

4结论

综上所述,可以得出如下结论:

图3　双坡屋顶封闭厂房的μs和Cpe的取值对比Fig 3　The pressure coefficients of enclosed workshop with gable roof μs and Cpe

(1)《阿尔及利亚风雪荷载规范》与我国《建筑结构荷载规范》中关于风荷载的计算方法基本相同,都是采用基本风压与感风系数(或风压高度变化系数)、动力系数以及体型系数相乘达到。

(2) 两国规范在基本风速的定义、地面类型的划分、地形系数的计算上是基本一致的,仅具体取值存在差异。

图4　穹顶结构的μs和Cpe的取值对比Fig 4　The pressure coefficients of doom μs and Cpe

(3) 对于大多数情况,阿尔及利亚规范采用了内部压力系数和外部压力系数之差来考虑建筑体型的影响;我国则采用统一的体型系数。《阿尔及利亚风雪荷载规范》(D.T.R.C 2—47)[3]对应不同的建筑体型,分别采用压力系数和力系数的形式来考虑建筑物横断面形状对风荷载的影响,《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[2]中则采用体型系数。

(4) 《阿尔及利亚风雪荷载规范》(D.T.R.C 2—47)[3]中的动力系数不仅考虑了湍流产生的共振,还考虑了结构表面风压力不完全相关引起的减弱效应,因此其取值可能小于1,且该参数采用基准高度处的值统一表示。而我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2]中,风振系数取值一般大于1,并且沿高度是变化的。

(5) 具体算例表明,相同地形地貌情况下的穹顶建筑,按阿尔及利亚康斯坦丁地区计算和按上海地区计算得到的总风荷载基本相当。

图5　万豪酒店钢屋盖立面图Fig 5　The elevation drawing of the steel roof ofHOTEL CONSTANTINE

表5穹顶风荷载计算过程和计算结果(按照阿尔及利亚规范计算)

Table 5　Wind load of the doom (according to Algirian code)

表6穹顶风荷载计算过程和计算结果(按照中国规范计算)

Table 6　Wind load of the doom (according to Chinese code)

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收稿日期：2014-10-26

*联系作者， Email:guo-xiao-nong@tongji.edu