最近, 我院所做的几个印度工程允许按中国规范进行结构设计, 但业主所提供的风荷载是按印度规范提出的, 且由于两国规范对风荷载的定义不同, 对工程设计中风荷载的取值存在争议, 因此了解印度规范与中国规范关于风荷载计算的差异是有必要的。
印度风荷载规范IS:875 (part 3) -1987是由印度结构安全组织委员会制定, 国家工程学分会理事会通过批准后, 印度标准局采用的现行标准。
1 计算公式
1.1 中国《建筑结构荷载规范》
垂直作用在建筑物表面的风荷载标准值。
计算承重结构时为:wk=βzμsμz w0
计算围护结构时:wk=βgzμslμz w0
式中:wk为风荷载标准值 (kN/m2) ;
βz为高度z处的风振系数;
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 (kN/m2) ;βgz为高度z处的阵风系数;μsl为局部风压体型系数。
1.2 印度风荷载规范IS:
875 (part 3) -1987
设计风速Vz=Vb K1K2K3
离地面任意高度的设计风压pz=0.6Vz2
作用在建筑物上的风荷载作用力F=Cf Ae pd。
作用在独立结构构件 (屋面墙体和独立的围护单元和连接件等) 上的风荷载为:
式中:K1为概率 (危险) 系数, 为根据不同的风速区和设计年限确定的系数;
K2为地形、高度及建筑物尺寸系数, 为根据不同的地形类别、结构类别及高度确定的系数;
K3为地形条件系数;
Vb为基本风速;
Cf为力系数;
Ae为风荷载作用的有效面积;
pd为设计风压;
Cpe为外压系数;
Cpi为内压系数;
A为结构构件或围护单元的表面积。
2 基本参数
2.1 基本风速
中国规范。
离地面10m高, 空旷平坦地形 (地形粗糙度B类) , 重现期为50年的10min的最大平均风速。
印度规范。
离地面10m高, 地形类别2类, 重现期为50年的3s平均最大阵风风速。
从基本风速的定义上看, 仅时距取值不同;在各个国家的风荷载标准中, 标准时距会有不同;根据我国《建筑结构荷载设计手册》, 非标准时距平均风速与时距10分钟平均风速的换算系数β值是变异性较大的平均值, 可按下公式换算:
ν为时距10min的平均风速 (m/s) ;
νt为时距为t的平均风速 (m/s) ;
β为换算系数, 按表1取值。
不同时距与10min时距风速换算系数β, 表1。
根据ASCE/SEI 7-05‘Minimum design loads for building and other structures’附录图C6-4可得出不同风速时距的最大平均风速与一小时时距风速之间的关系;
附录图C6-4可得出不同风速时距的最大平均风速与一小时时距风速之间的关系;
根据图1可得:V3/V3600≈1.52
根据表1可得:V3600/V600≈0.94
3s时距与10分钟时距的换算关系为:V3/V600=1.52×0.94=1.4288, 取1.43。
2.2 基本风压
中国规范:基本风压w0=ρν2/2
取空气的密度ρ=1.25kg/m3
印度规范:离地面任意高度的设计风压pz=0.6Vz2。
2.3 地面粗糙度
中国荷载规范:对于平坦或稍有起伏的地形, 风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范确定;地面粗糙度可分为A、B、C、D四类。
A类:近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。
B类:田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。
C类:有密集建筑群的城市市区。
D类:有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
印度规范:地形类别分为四类。
类别1:暴露在空旷地形上 (无或仅有少量的障碍物) , 周围建筑物平均高度小于1.5m, 包括空旷的海岸和平坦的无树木的平原。
类别2:敞开地形上障碍物比较松散, 建筑物高度在1.5m~10m之间。
类别3:具有大量密集障碍物的地形, 建筑物的高度在10m之内且有少量或无独立的高层建筑。
类别4:具有大量密集障碍物的地形。
印度规范场地类别的划分与我国荷载规范基本一致。
2.4 风荷载随高度变化
印度规范中考虑风荷载随高度变化采用系数K2对基本风速进行修正, 取值见表2; (K2为地形、高度及建筑物尺寸系数, 为根据不同的地形类别、结构类别及高度确定的系数) 。
建筑物的类别A、B、C为根据建筑物的尺寸划分。
类别A:结构或构件, 如围护、屋面等最大尺寸 (最大水平或竖向尺寸) 小于20m。
类别B:结构或构件, 如围护、屋面等最大尺寸 (最大水平或竖向尺寸) 在20m~50m之间。
类别C:结构或构件, 如围护、屋面等最大尺寸 (最大水平或竖向尺寸) 大于50m。
对山区建筑物:山峰、山坡、山间盆地、谷地等, 印度规范采用系数K3对基本风速进行修正来考虑地形的影响, K3为地形条件系数。中国荷载规范。
Note 1-Sce 5.3.2.2 for definitions of Class A, Class B and Class C structures.Note 2-Intermediate values may be obtained by linear interpolation, if desired.It is permissible to assume constant wind speed between 2 heights for simplicity.
考虑风荷载随高度变化采用风压高度变化系数μz对基本风压进行修正。
对山区建筑物 (山峰、山坡、山间盆地、谷地) 、远离海面及海岛的建筑物或构筑物, 需对风压高度变化系数进行修正。
2.5 重要性系数
印度规范。
对单独的荷载工况取重要性系数, 风荷载的重要性系数通过系数K1考虑对基本风速进行修正;K1为概率 (危险) 系数, 为根据不同的风速区和设计年限确定的系数, 详见表3。
中国规范。
对荷载效应组合的设计值统一取重要性系数:对安全等级为一级 (破坏后果很严重的重要的建筑物) 或设计使用年限为100年及以上的结构构件, 不应小于1.1;对安全等级为二级 (破坏后果严重的一般的建筑物) 或设计使用年限为50年的结构构件, 不应小于1.0;对安全等级为三级 (破坏后果不严重的次要的建筑物) 或设计使用年限为5年及以下的结构构件, 不应小于0.9;在抗震设计中, 不考虑结构构件的重要性系数。
2.6 体型系数
印度规范通过Cpe (外压系数) 、Cpi (内压系数) 、Cf (力系数) 来表示不同结构体型对风荷载的影响;与中国规范不同的是需考虑结构高宽比及长宽比来确定。《建筑结构荷载规范》对此无没有考虑, 在《高层建筑混凝土结构技术规程》中对矩形平面考虑了高宽比的影响。
关于内压系数, 对封闭式建筑物, 按外表面风压的正负情况取-0.2和0.2, 印度规范与我国规范是一致的;但对局部开孔的建筑物印度规范考虑了不同的内压系数我国规范对此无说明。
2.7 动力响应
中国规范:对于高度大于30m和高宽比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于025s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响, 采用风振系数来考虑。对圆形截面的结构应对不同雷诺数的情况进行横风向风振 (漩涡脱落) 的校核。对非圆形截面的结构, 横风向风振的等效风荷载宜通过空气弹性模型的风洞试验确定。
印度规范:对于高宽比大于5.0或第一振型自振频率小于1.0Hz的结构应该考虑风荷载引起的动力效应;规范中介绍了阵风效力系数方法计算顺风向的荷载。
3 结语
(1) 中国规范与印度规范不同间距的风速可进行转化, 以方便工程设计。
(2) 风压高度变化系数, 印度规范考虑对风速进行修正, 中国规范对基本风压进行修正。两国规范的地面粗糙度的定义基本相同。
(3) 风荷载体型系数, 印度规范规定较为复杂, 根据建筑物外形的具体尺寸规定了不同的取值, 而中国规范对常见的外形明确了体型系数, 应用比较方便。
(4) 对需要考虑风振影响的计算范围两国规定不同。中国规范对顺风向的风振简化采用风振系数来考虑, 应用方便。
摘要：随着国外项目工程的增加, 了解国外规范与中国规范的差异对工程设计是有必要的。本文论述了印度风荷载规范IS:875 (part 3) -1987与中国《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》风荷载计算的差异, 为以后工程设计提供参考。
关键词：风荷载,风速,对比
参考文献
[1] GB50009-2001, 建筑结构荷载规范[S].2006.
[2] Code of Practice for Design Loads (Other than Earthquake) for Builidngsand Structures Part 3 Wind Load (Second Revision) IS:875 (part3) -1987.