中国规范的风荷载安全吗——结构工程师应当知道的风速常识之三

先说结论。虽然各国规范的基本风速的定义不同，但殊途同归，风荷载的最终计算结果并无本质差异。不必担心中国规范采用“10min平均最大风速”作为基本风速，给出的风荷载就不安全。而在具体的参数取值上，各国规范虽然存在差异，但结构设计规范是一个体系，不宜根据某些参数的量值大小直接得出“谁安全、谁不安全”的结论。

接下来我们再来详细分析原因。

我们先来了解下各国规范关于基本风速的定义。基本风速的定义通常包括：地貌类别、观测高度、风速平均时距和重现期这几个要素，下表对比了这些要素的差异。

从上表的对比可以看到，各国规范对风速测量环境的要求是一致的，都是空旷平坦地貌10m高度，只是对地貌的分类标记有所不同(如B、II或2等)，尤需注意的是美国ASCE定义的B、C、D三类地貌，相当于中国的C、B、A，排列顺序是相反的。

各国规范在风速时距上则有两种不同规定，中国、欧洲和日本采用10min平均最大风速作为基本风速;美国和澳洲则采用3s阵风作为基本风速。用这两种不同的基本风速，在计算风荷载值时会有什么差别呢?我们从中美规范的风荷载计算式中去寻找答案。

1 主要受力结构

中国规范规定，对于主要受力结构，风荷载标准值通过下式计算

美国规范规定，对于封闭房屋等主要受力结构，风荷载值通过下式计算

公式中的q是3s阵风对应的风速压，按下式计算

将两本规范中的所有参数按物理含义的分类，罗列如下：

中美风荷载计算公式中，最重要的差别是以下三点：

1) 中国规范不考虑风向折减，在计算主体结构风荷载时也不考虑内部风压;

2) 10m高风速压的定义不同，中国和美国分别采用了平均风和阵风对应的风速压;

3) 中国的风振系数代表的是基于平均风荷载的放大倍数，而美国的阵风效应因子则是基于阵风荷载的调整系数。

除此之外，两本规范的其他参数在物理含义大致匹配，取值差异相对较小。上述第1)点的影响本文暂不讨论，第2)、第3)点的区别则表明：对于主要受力结构，中国规范的风荷载是用平均风荷载乘以风振系数βz得到的，美国规范的风荷载则是用阵风荷载乘以阵风效应因子G得到的。

很显然，对于同样的设计条件，阵风风压远高于平均风压;如果阵风效应因子的量值和风振系数相当，则中国规范计算的风荷载值就可能远小于美国规范。

我们以ASCE给出的高层建筑算例进行简单比较。该建筑高183m，平面尺寸30m*30m，地貌为美国规范的B类(相当于中国的C类)。对于不同的自振频率和两种阻尼比(1%和2%)，其阵风效应因子如下图所示：

典型高层建筑的阵风效应因子0

中国规范风振系数的计算原理与美国不同，得到的风振系数是沿高度变化的。为便于比较，以基底弯矩为等效目标(与ASCE的方法相同)，得出了“整体风振系数”的值，如下图所示。

典型高层建筑的风振系数

对比“阵风效应因子”和“风振系数”的曲线即可发现，对于这栋高层建筑来说，风振系数值大约是阵风效应因子的2倍左右。可见，尽管阵风荷载远高于平均风荷载，但与阵风荷载配套使用的阵风效应因子是远低于风振系数的。所以中美规范最终计算得到的结果不会有本质差异。

2 围护结构

中国规范的围护结构风荷载计算公式与主要受力结构大同小异，只是“风振系数”用“阵风系数”代替：

阵风系数是在考虑平均风与阵风差异后根据经验公式计算得出的，系数的大小与地貌和高度有关，但都远大于1.0。

美国规范计算围护结构风荷载的表达式如下

其中的括号表示“阵风效应因子”与“压力系数”应当看做一个参数(GCp)，不允许拆分后取值。因此，可以认为：对于围护结构，中国规范的风荷载是用平均风荷载乘以阵风系数βgz得到的，美国规范的风荷载则是直接采用阵风荷载。

我们以常见的矩形截面房屋的迎风面(暂不考虑内部风压)为例做简单说明：

中国规范规定，矩形截面房屋的迎风面的体型系数1.0，据此得出平均风压，再乘以阵风系数得出风荷载标准值。美国规范则规定(见下图)，矩形截面房屋的迎风面的(GCp)=0.9，再乘以3s阵风对应的风速压直接得到风荷载标准值。由于中国的阵风系数远大于1.0，所以两本规范计算得到的风荷载值不会有本质差异。

矩形截面房屋的压力系数

综合主要受力结构和围护结构的风荷载计算公式的比较，我们可以发现：采用平均风作为基本风速的中国规范，其“风振系数”和“阵风系数”是远大于1.0的，其作用是将平均风荷载放大;而采用阵风作为基本风速的美国规范，其“阵风效应因子”在1.0左右，其作用是考虑风振效应和尺寸效应，对阵风荷载进行调整。

其实，仅就衡量风力强度而言，10min平均最大风速是更加一致、稳定的指标;3s最大阵风受到测量仪器频响特性的影响，相对而言不确定性更大，有兴趣的读者可以参阅参考资料6和7。

最后，细心的读者可能会注意到基本风速对比表中的重现期一栏，美国和澳洲没有给出具体数值。这是因为其他规范对基本风速规定了统一的重现期，再根据不同的设计条件，引入重要性系数、分项系数等参数对风荷载进行调整;与此不同，美国和澳洲规范直接根据不同的设计条件取不同的重现期，所以基本风速有多种重现期、多种取值。

所谓重现期也就是人们常说的“多少年一遇”，那么50年一遇就是“50年遇到一次”么?请继续关注风速常识之四。

参考资料

1. GB50009-2012《建筑结构荷载规范》，2012

2. ASCE/SEI7-16, Minimum Design Loads and Associated Criteria forBuildings and Other Structures，2016

3. EN1991-1-4:2005, Actions on structures, Part 1-4: General action –Wind actions，2005

4. Architectural Institute of Japan, Recommendations for Loads onBuildings，2005

5. AS/NZS1170.2:2011, Structural design actions, Part 2: Windactions，2011

6. Holmes, J. D. & Ginger, J. D. 2012, The gust wind speedduration in AS/NZS 1170.2, Aus. J. Struct. Eng., 13(3), 2012

7. Kwon, D. and Kareem, A., Revisiting Gust Averaging Time and GustEffect Factor in ASCE 7. J. Struct. Eng., 140(11), 2014

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