中國與美國規范對圍護結構風荷載計算的對比研究

向宇

[摘要]隨著涉外工程數量的增加，國內設計院被越來越多地要求采用美國規范進行涉外工程設計。作為幕墻設計中最重要的荷載參數之一，比較了圍護結構風荷載在中、美兩國荷載規范中計算方法和計算參數的異同。并通過某海外項目立面幕墻風荷載的計算實例，深入分析了兩國規范計算結果差異的原因，為涉外項目幕墻設計提供參考。

[關鍵詞]荷載規范； ACE/SEI 7-22； 風荷載； 圍護結構； 幕墻； 對比

[中國分類號]TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

隨著“一帶一路”倡議的落實，沿線國家對于機場、體育場館、醫院、會展文博等項目建設的需求越來越迫切，越來越多的海外項目進入了國內設計院的設計范圍。作為國際通用的主流規范，美國規范在全世界范圍內被廣泛采用，因此海外項目的業主通常要求國內建筑設計院將美國規范作為項目設計的主要依據，而國內規范只作為參考。在此環境下，熟悉和掌握美國規范，了解美國規范與中國規范的異同，合理地使用美國規范，成為了越來越多國內設計師的迫切需求。

在幕墻設計中，風荷載是非常重要的工程設計依據。風荷載標準值的選取對幕墻體系的安全性和經濟性影響非常重大。在設計海外項目的幕墻工程時，幕墻設計人員是否熟悉美國規范與中國規范在風荷載計算時的差異就顯得尤為重要。

本文結合實際的海外項目設計經驗，對美國規范和中國規范中圍護結構風荷載標準值的計算進行了對比研究，為廣大的幕墻設計師提供參考。本文所采用的規范分別為GB50009-2012《建筑結構荷載規范》［1］和“Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures” ACE/SEI 7-22［2］（下文簡稱ACE/SEI 7-22）。

1計算公式

根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》第8.1.1條，計算圍護結構時，垂直于建筑物表面的風荷載標準值應按式（1）計算。

wk=βgzμs1μzw0（1）

式中：w0=υ20/1600（按標準空氣密度ρ=1.25kg/m3計算）；wk為風荷載標準值（kN/m2）；βgz為高度z處的陣風系數；μs1為風荷載局部體形系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓（kN/m2）；υ0為基本風速（m/s）。

根據ACE/SEI 7-22第30章，美國標準將圍護結構的風荷載計算分為了5種情況：低層建筑（h<18.3 m）、高度大于18.3 m的建筑、開放式建筑、建筑附屬物和屋頂結構及設備、非建筑結構。由于篇幅限制，本文以低層建筑（h<18.3 m）為例，對美國規范的計算原理和基本參數進行分析說明，并與中國規范進行對比，希望能起到拋磚引玉的作用。

根據ACE/SEI 7-22第30.3.2條規定，低層建筑的圍護結構設計風壓為式（2）。

p=qhKd［（GCp）-（GCpi）］（2）

式中：qh=qz=0.613KzKztKeV2;p為設計風壓（N/m2）;qh為平均屋面高度下的風速壓力（N/m2）;Kd為風向因子（ACE/SEI 7-22：26.6）;GCp為外壓系數;GCpi為內壓系數;Kz為風速壓力暴露系數（ACE/SEI 7-22：26.10.1）;Kzt為地形因子（ACE/SEI 7-22：26.8.2）;Ke為地面高程系數（ACE/SEI 7-22：26.9）;V為基本風速（ACE/SEI 7-22：26.5）;qz為高度z處的風速壓力（N/m2）。

從上述中國和美國標準風荷載計算公式中可以看出，兩國標準的計算原理和計算參數基本一致，設計過程均以基本風速為基礎，通過基本風速計算出基本風壓，最后根據不同的建筑形體，綜合考慮地面粗糙度、地形條件等因素進行修正后確定風荷載標準值。

2基本參數

2.1基本風速

根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》 8.1.2條文說明，按照基本風速的標準要求，將不同風速儀高度和時次時距的年最大風速，統一換算為離地10 m高，時距10 min平均年最大風速數據，經統計分析確定重現期為50年的最大風速，作為當地的基本風速。

而根據ACE/SEI 7-22 26.5.3規定，以場地類別為C類的場地離地10 m，時距3 s的陣風風速，按50年重現期確定的年平均最大風速作為基本風速。

從表1可以看出，中、美兩國規范在計算基本風速時，場地類別和平均風速時距上的取值并不相同。不同風速時距與10 min風速時距的平均比值可按表2進行換算［3］，根據換算關系可知：

美國基本風速V≈1.42×中國基本風速υ0

上述差異是由于平均風速時距取值不同而造成的。時距越短，風的脈動作用越明顯；時距越長，所囊括的不同大小峰值的風速越多，風速越趨于穩定。因此，中國規范中平均風速時距值越大，基本風速取值越小。

2.2場地類別

中國標準GB50009-2012《建筑結構荷載規范》將地面粗糙度分為了A、B、C、D 4類；美國標準ACE/SEI 7-22則將場地類別分為了B、C、D 3類。兩者的地面粗糙度類別對比詳見表3。

通過對比可以發現，兩國規范對地面粗糙度的定義剛好相反。其中中國規范B類和C類地面粗糙度可以大致分別對應美國規范C類和B類地面粗糙度。

2.3陣風系數

中國規范采用陣風系數描述風壓脈動對圍護結構產生風振的影響，按式（3）進行計算。

βzg=1+2gI10（z/10）-α（3）

其中分別考慮了不同高度z處的峰值因子g、10 m高名義湍流度I10及地面粗糙度指數α對陣風系數的影響。

2.4局部體形系數

由于作用于建筑物表面的風壓并不均勻，在圍護結構風荷載計算中，建筑物邊角區域、檐口、雨篷等部位，局部風壓會超過建筑物表面一定范圍的平均風壓，繼續采用風荷載體形系數進行圍護結構風荷載的計算不再合理。因此中國規范引入局部風壓體形系數來考慮建筑物表面風壓分布不均勻而導致局部部位的風壓超過全表面平均風壓的實際情況。同時結合建筑物內部實際存在孔洞、縫隙和機械通風的因素，提出了建筑物內部壓力的局部體形系數，用于更加精確的反映圍護結構承受的風荷載。

在此基礎上，中國規范還考慮了計算非直接承受風荷載的圍護構件，如屋面檁條、幕墻龍骨等時，從屬面積對局部體形系數的折減，使設計工作更精細化，有效節約材料成本。

2.5內壓系數與外壓系數

美國規范則采用外壓系數與內壓系數的差值來描述結構形體和風壓脈動對建筑物表面風壓的影響。其中，外壓系數（GCP）區分了墻面（walls）、平屋頂和坡屋頂（flat roofs， gable roofs， and hip roofs）、傾斜自由屋頂（pitched free roofs）、階梯屋頂（stepped roofs）、多跨山墻屋頂（multispan gable roofs）、單坡屋頂（monoslope roofs）、鋸齒形屋頂（sawtooth roofs）、圓頂屋頂（domed roofs）、拱形屋頂（arched roofs）、吊頂面（bottom surfaces of elevated buildings）等不同的情況，并考慮不同建筑部位和有效受風面積的影響。

內壓系數（GCPi）則根據不同的建筑圍護結構分類分為封閉建筑、部分封閉建筑、部分開放建筑、開放建筑，并按不同的分類進行內壓取值。

2.6風壓高度變化系數μz和風速壓力暴露系數Kz

在大氣邊界層內，風速隨著離地高度的增加而增大，同時受地面粗糙度和溫度垂直梯度的影響。中國和美國規范中分別采用風壓高度變化系數μz和風速壓力暴露系數Kz來描述不同地形和高度對風壓的影響。

由于地形對風荷載的影響較為復雜，對于山區和遠海地區，兩國規范都考慮了特殊地貌對風壓的影響。中國規范引入了修改系數η對風壓高度變化系數μz進行修正，美國規范則引入地形因子Kzt對風速壓力暴露系數Kz進行調整。

3工程案例

以某海外工程為實例，分別采用中國規范和美國規范對該項目的立面幕墻所承受的風荷載標準值進行計算，并與該工程提供的風洞試驗結果進行比較。

根據項目資料：立面玻璃幕墻最高標高11.3 m。美國標準基本風速44.4 m/s，相當于中國標準基本風速31.3 m/s。地面粗糙度美國標準為C類，相當于中國標準B類。

由此可以確定兩國規范中風荷載計算的各項參數以及最終風荷載標準值結果見表4。

從表4可以看出，由于美國規范在圍護結構風荷載的計算過程中更加詳細的對建筑形體進行了分類，得出的外壓系數與內壓系數更趨近于實際情況，因此得出的計算結果偏小，對工程造價控制更有利；而中國規范中主要通過局部體形系數這一個參數來體現建筑形體對圍護結構風荷載的影響，因此計算結果偏大，更偏于保守。

4結論

（1）中國和美國規范在計算圍護結構的風荷載標準值時的基本原理是相同的，都是通過計算得出基本風壓或基本風速壓力后，再考慮地面粗糙度、地形條件、高度、風振動力影響等因素對風荷載標準值進行修正。

（2）美國規范在確定基本風速時對時距的要求與中國規范不同，在進行對比分析時應注意時距的轉換。

（3）美國規范對地面粗糙度的分類方法與中國規范相反。

（4）美國規范在計算圍護結構風荷載時對建筑的形體分類更為細致，對影響風荷載大小的各類影響因素的考慮也更加嚴謹。

（5）通過對比計算，在低層建筑的圍護結構風荷載計算中，中國規范的計算結果數值更大，更偏于保守。

參考文獻

［1］建筑結構荷載規范： GB50009-2012 ［S］.

［2］ACE/SEI 7-22 Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structuresp ［S］ .

［3］劉剛. 中國與美國規范風荷載計算分析比較［J］. 鋼結構， 2010.25（12）， 47-52.