中歐風(fēng)荷載規(guī)范的對(duì)比研究

1、中歐風(fēng)荷載規(guī)范的對(duì)比研究第2卷第1期2010年3月v01.2no.1mar.2o1o中歐風(fēng)荷載規(guī)范的對(duì)比研究薛穎亮李云貴(中國(guó)建筑科學(xué)研究院軟件所,北京100013)【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了歐洲規(guī)范1中關(guān)于風(fēng)作用的計(jì)算方法,對(duì)計(jì)算中需要用到的參數(shù)分別進(jìn)行了說(shuō)明.對(duì)中歐風(fēng)荷載規(guī)范的基本風(fēng)速,粗糙度類別劃分,動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)等進(jìn)行了對(duì)比分析,并對(duì)算例的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了初步比較和評(píng)述.【關(guān)鍵詞】風(fēng)荷載;地面粗糙度;動(dòng)力響應(yīng)【中圖分類號(hào)】tu023【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】a【文章編號(hào)】16747461(2010)010078041引言風(fēng)荷載是建筑物的主要荷載之一,甚至在某些建筑物中的效應(yīng)起主導(dǎo)的作用.如果建筑物的抗風(fēng)設(shè)

2、計(jì)不當(dāng),可能使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形和振動(dòng),讓建筑中的人感覺不適或是讓設(shè)備不能正常工作,甚至還可能使建筑物產(chǎn)生局部破壞或整體破壞,對(duì)人的生命安全造成威脅.而在整個(gè)歐洲范圍內(nèi),風(fēng)暴帶給建筑結(jié)構(gòu)的損害都是一個(gè)特別嚴(yán)重的自然災(zāi)害.特別是在人口相對(duì)稠密的城市地區(qū),風(fēng)災(zāi)害實(shí)際上是最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,每年都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.1990年發(fā)生了8起重大的風(fēng)暴,波及至少l0個(gè)西歐國(guó)家,總共造成150億歐元左右的損失.幾乎每年風(fēng)暴災(zāi)害都給歐洲國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)擔(dān).在一些擁有很長(zhǎng)的海岸線和山區(qū)地形為主的國(guó)家,發(fā)生風(fēng)暴的頻率更高.本文主要工作是對(duì)歐洲規(guī)范1中風(fēng)荷載作用的規(guī)定進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,并與中國(guó)荷載規(guī)范

3、中相關(guān)部分的內(nèi)容進(jìn)行初步比較分析.2歐洲規(guī)范風(fēng)作用計(jì)算方法歐洲風(fēng)荷載規(guī)范pren199114適用于計(jì)算高度200m以內(nèi)的建筑和結(jié)構(gòu)工程,以及跨度200m以內(nèi)的橋梁的風(fēng)荷載.對(duì)于設(shè)置核心筒等扭轉(zhuǎn)振動(dòng)明顯的結(jié)構(gòu),以及需要考慮多階振型的結(jié)構(gòu)等不在此部分規(guī)范討論范圍之內(nèi).此規(guī)范中,確定風(fēng)荷載作用的大小有兩種方法:一是使用形狀系數(shù)采用力系數(shù)的力系數(shù)法;二是通過(guò)外表面壓(吸)力,內(nèi)表面壓(吸)力和風(fēng)摩擦力三部分求和的求和法.對(duì)于廣告牌和具有特定形狀截面的一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件,計(jì)算作用在其上的風(fēng)荷載時(shí)使用力系數(shù)法.對(duì)于一般建筑物而言,通常采用求和法.力系數(shù)法的計(jì)算風(fēng)壓力fw公式為:f=ccd.cs?qp(z)a(1

4、)式中:csc一結(jié)構(gòu)系數(shù);cs一結(jié)構(gòu)整體或結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的力系數(shù);g()一基準(zhǔn)高度處的峰值風(fēng)速壓力;a,一特征面積.對(duì)于求和法,當(dāng)平行于風(fēng)向的結(jié)構(gòu)表面面積大于或等于垂直于風(fēng)向的結(jié)構(gòu)表面面積的4倍及以上時(shí),才考慮風(fēng)摩擦力的影響.在外圍護(hù)構(gòu)件多孔的情況下才考慮內(nèi)表面風(fēng)壓.因此在一般的建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計(jì)算中,僅用計(jì)算外表面壓力一項(xiàng).求和法的計(jì)算公式為:外表面壓力:f=cc(ze)?c?a(2)【作者簡(jiǎn)介】薛穎亮(1985一),男,碩士研究生,主要研究方向:建筑工程計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)與計(jì)算.01064517848email:xueyingliangl3163.tom中歐風(fēng)荷載規(guī)范的初步比較研究79內(nèi)表面壓力:

5、f=(zi)?cpi?a(3)摩擦力:.q(ze).a,r(4)式中:csc一結(jié)構(gòu)系數(shù);a,一特征面積;c一摩擦系數(shù);a一平行與風(fēng)向的外表面面積.cpe,cp一分別為外,內(nèi)風(fēng)壓力壓力系數(shù).上述兩種方法的計(jì)算公式在形式上有相似之處,同樣都是用結(jié)構(gòu)系數(shù)來(lái)反應(yīng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的動(dòng)力特性,適用于不同的建筑結(jié)構(gòu)形式.計(jì)算某高度處的峰值風(fēng)速壓力時(shí),同時(shí)考慮了風(fēng)速平均值和短期的風(fēng)速脈動(dòng).由下式確定:qp(z)=【1+7?().1?p?2()=c()q6(5)式中:q6一基本風(fēng)速壓力,q6=1?p?z7;c(z)暴露系數(shù),c(z)=q(z)/q6=1+7?iv(z)c;c:.,一湍流強(qiáng)度;c地形系數(shù);c.粗糙度

6、類別劃分.結(jié)構(gòu)系數(shù)csc是另外一個(gè)重要的參數(shù),實(shí)際上是尺寸系數(shù)c和動(dòng)力系數(shù)c兩部分的乘積.分別是考慮了作用在結(jié)構(gòu)表面的峰值風(fēng)速壓非同時(shí)發(fā)生的減弱效應(yīng)和由于氣流脈動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)的增強(qiáng)效應(yīng).通過(guò)規(guī)范附錄中的方法可以確定.3中歐風(fēng)載規(guī)范部分內(nèi)容的比較3.1基本風(fēng)速(風(fēng)壓)歐洲規(guī)范中基本風(fēng)速規(guī)定為空曠地區(qū)lom高度處10min以內(nèi)的平均年最大風(fēng)速,年超越概率為0.02,即重現(xiàn)期為50年.en1991一l一4中用暴露系數(shù)c(z)對(duì)基本風(fēng)速風(fēng)壓進(jìn)行修正,其中包括了對(duì)地面粗糙度,地形和風(fēng)湍流影響的考慮.我國(guó)gb500092001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中采用相同規(guī)定的基本風(fēng)速,計(jì)算轉(zhuǎn)化為基本風(fēng)壓,再考慮地面粗糙

7、度和地形的影響.中國(guó)規(guī)范沒有作專門湍流強(qiáng)度說(shuō)明,但在推導(dǎo)風(fēng)振系數(shù)的過(guò)程中引入了描述脈動(dòng)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)差沿高度變化規(guī)律的變量,脈動(dòng)系數(shù)(,.根據(jù)中國(guó)規(guī)范中的脈動(dòng)系數(shù),結(jié)合湍流強(qiáng)度的定義,可得到與其對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度為,:0.1x3.5?m(z/lo)一a(6)式中為地面粗糙度指數(shù),對(duì)應(yīng)于a,b,c和d四類地貌,分別取0.12,0.16,0.22和0.30.和歐洲規(guī)范的湍流強(qiáng)度作比較,以中國(guó)規(guī)范c類地面粗糙度,歐洲類地面粗糙度,lom高度處的湍流強(qiáng)度為例.中國(guó)規(guī)范計(jì)算得到湍流強(qiáng)度為0.114,歐洲規(guī)范的計(jì)算結(jié)果為0.285.中國(guó)規(guī)范湍流強(qiáng)度的取值比歐洲規(guī)范小很多,同時(shí)在其他粗糙度場(chǎng)地不同高度處也同樣得到中國(guó)

8、規(guī)范湍流強(qiáng)度取值比歐洲規(guī)范小得多的結(jié)果.中歐規(guī)范湍流強(qiáng)度大小的差異也影響到作用在建筑上各層的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果的差別.3.2地面粗糙度分類中國(guó)和歐洲風(fēng)荷載規(guī)范中對(duì)于粗糙度的場(chǎng)地類別劃分也有區(qū)別.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范將地面粗糙度分為a,b,c,d四類.歐洲風(fēng)荷載規(guī)范en199114中把地形類別分為五類,分別是0,i,.要實(shí)現(xiàn)規(guī)范間參數(shù)之間的換算和比較,首先就需要了解粗糙度分類的對(duì)應(yīng)關(guān)系.地面粗糙度對(duì)風(fēng)速剖面的影響,中歐規(guī)范分別是用風(fēng)壓高度變化系數(shù)和粗糙度系數(shù)來(lái)表示的,并且分別采用的是指數(shù)律和對(duì)數(shù)律的表達(dá)形式.按照中歐規(guī)范對(duì)各地面粗糙度類別的描述見表1,以及如圖1所示的結(jié)果,可以認(rèn)為中國(guó)規(guī)范a類場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于

9、歐洲規(guī)范0和i類場(chǎng)地,b,c,d類場(chǎng)地分別對(duì)應(yīng)于,類場(chǎng)地.表1中歐規(guī)范中粗糙度分類表述的對(duì)比匯總表建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范歐洲規(guī)范en1991140海面或接近開闊海面的近海地區(qū)耄,i湖面或無(wú)障礙物,植被可忽略海岸,湖岸及沙漠地區(qū);罩卓b類指田野,鄉(xiāng)村,叢林,丘有矮小植被(草地),或者有孤立障陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)礙物(樹,建筑物)且障礙物間的間隔鎮(zhèn)和城市郊區(qū);不小于障礙物高度的20倍的地區(qū)c類指筑群的有星要秦被,城市市區(qū);d類指有密集建筑群且地表15%的面積被建筑物覆蓋并且房屋較高的城市市區(qū).建筑物平均高度超過(guò)15m的地區(qū)從圖1中可以看到,由于指數(shù)律和對(duì)數(shù)律的差別,兩參數(shù)的值隨高度增加差異增大.采用指

10、數(shù)律的中國(guó)規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)值普遍相對(duì)較大,只有在對(duì)應(yīng)于歐洲規(guī)范的0和i類粗糙度場(chǎng)地的a類粗糙度場(chǎng)地上,中國(guó)規(guī)范的相應(yīng)數(shù)值較小.n00.2a40.60,81.01.2141.61.8202232歐洲規(guī)范粗糙度系數(shù)的平方和中國(guó)規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)值圖1風(fēng)壓高度變化系數(shù)和粗糙度系數(shù)的平方值沿高度變化關(guān)系圖3.3順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)實(shí)際的湍流強(qiáng)度是沿高度變化的,歐洲規(guī)范中為了使結(jié)構(gòu)系數(shù)常數(shù)化而進(jìn)行簡(jiǎn)化,沿整個(gè)結(jié)構(gòu)高度的結(jié)構(gòu)系數(shù)都用基準(zhǔn)高度處的值來(lái)統(tǒng)一代表,這一點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定差異較大.寬度為20m,層高3.3m,共6層,總高度為19.8m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在iii類地形環(huán)

11、境中,基本風(fēng)速為35m/s.表2為分別用中歐規(guī)范計(jì)算其動(dòng)力特性的結(jié)果.表2動(dòng)力系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)沿高度的取值表19.82.6710.8701.656中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中,風(fēng)作用的動(dòng)力影響是通過(guò)風(fēng)振系數(shù)來(lái)表達(dá)的.中國(guó)規(guī)范中的p同時(shí)考慮了風(fēng)的脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng),相對(duì)于中國(guó)規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)b對(duì)平均風(fēng)壓的放大比率,歐洲規(guī)范的cscc值明顯較大.確定風(fēng)振系數(shù)的參數(shù)均沿高度變化取值,沒有進(jìn)行像歐洲規(guī)范en199114的簡(jiǎn)化.4算例比較某一建筑物總共66層,層高3.3m,總高度為198m,平面布置為20m(30m的矩形.試用中國(guó)風(fēng)規(guī)范和歐洲風(fēng)規(guī)范,取相同的基本風(fēng)速(12.65m/s)和形狀系數(shù)(1.3),在兩

12、規(guī)范相應(yīng)的粗糙度場(chǎng)地上,計(jì)算在20m寬度受風(fēng)面上的各層風(fēng)荷載.經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,由得到的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制見圖2.200l5o童趙100惶500200l5o毒0o超500i520253o354o455055風(fēng)荷載8lol214161820222426283032343638風(fēng)荷載圖2歐洲規(guī)范和中國(guó)規(guī)范中相應(yīng)粗糙度場(chǎng)地上風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果比較圖歐洲規(guī)范采用分段的方法計(jì)算峰值風(fēng)壓力,沿整個(gè)建筑高度的結(jié)構(gòu)系數(shù)(考慮順風(fēng)向風(fēng)振影響的系數(shù))均取基準(zhǔn)高度處的值;而中國(guó)規(guī)范中風(fēng)荷載按沿高度變化計(jì)算的.因此歐洲規(guī)范在結(jié)構(gòu)上下段處各層風(fēng)荷載相同,風(fēng)振影響在全高度都取為相同,近似程度較高.歐洲規(guī)范風(fēng)荷載計(jì)算峰值風(fēng)壓力時(shí)考慮了短

13、期湍流的影響,c和結(jié)構(gòu)系數(shù)csc的乘積比中國(guó)規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)13要大,墮懈一一挪9一6一趴一一201n】3一中歐風(fēng)荷載規(guī)范的初步比較研究81因此在各層處的風(fēng)荷載歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果比中國(guó)規(guī)范都大了許多,在較高建筑的頂部,由于指數(shù)律和對(duì)數(shù)律的差別,風(fēng)荷載值的差距有減小的趨勢(shì).5結(jié)論通過(guò)算例的數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較,可得到如下初步結(jié)論:1)中國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范和歐洲風(fēng)荷載規(guī)范基本風(fēng)速(風(fēng)壓)采用的是基本相同的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)和超越概率;2)經(jīng)過(guò)分析比較可近似認(rèn)為中國(guó)規(guī)范a類場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于歐洲規(guī)范0和i類場(chǎng)地,b,c,d類場(chǎng)地分別對(duì)應(yīng)于,類場(chǎng)地;3)中國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范和歐洲風(fēng)荷載在考慮順風(fēng)向風(fēng)振影響時(shí)差異比較大.歐洲風(fēng)規(guī)范用基準(zhǔn)高度

14、的動(dòng)力特性代表整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,考慮的湍流作用比中國(guó)規(guī)范的取值大,使歐洲規(guī)范中的順風(fēng)向風(fēng)振影響的放大作用比中國(guó)規(guī)范大;4)在風(fēng)作用計(jì)算結(jié)果中,在建筑結(jié)構(gòu)較低的部位歐洲規(guī)范計(jì)算的風(fēng)作用要遠(yuǎn)大于中國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果.隨著高度的增加,由于地面粗糙度修正的指數(shù)律和對(duì)數(shù)律的差別,中國(guó)規(guī)范的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果和歐洲規(guī)范的計(jì)算結(jié)果的差距逐漸減小.參考文獻(xiàn)1windresisitantdesignofstmctures,http./cordis.europa.eu/tmr/src/res980342.htm,2009.2pren19911-4,eurocodel:actionsonstmcturesgeneral

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