菲律賓《國家結構設計規(guī)范》nscp-2010對mrfrs風荷載的計算

菲律賓《國家結構設計規(guī)范》nscp-2010對mrfrs風荷載的計算

近年來，隨著經(jīng)濟全球化的推進，中國的工程公司越來越多地在全球范圍內(nèi)進行建設項目。在涉外項目中,很大一部分設計要求采用當?shù)匾?guī)范作為設計標準,即便采用中國規(guī)范設計,業(yè)主提供的風荷載等自然條件通常也是基于本國規(guī)范。本文結合工程實際,對菲律賓《國家結構設計規(guī)范》NSCP-2010VOLUMEIBUILDINGS,TOWERS,ANDOTHERVERTICALSTRUCTURES(61這兩個國家正在監(jiān)測風荷載1.1風荷載的簡化計算NCSP-2010規(guī)定根據(jù)不同條件,按以下3種方法進行設計:1)簡化法。對于體型簡單和規(guī)則,屋頂為平屋面、雙坡或四坡屋頂,屋頂高度不超過18m且風作用下不會引起特殊動力效應的封閉建筑,常用簡化法進行計算。2)分析法。當建(構)筑物不滿足風荷載簡化方法設計條件時,建筑物或結構形狀規(guī)則,且結構反應特性不會使其受到渦旋脫落、振顫等不穩(wěn)定因素的影響,也無需考慮風槽等特殊場地,就可以使用分析法來計算風荷載。3)風洞法。適用于所有建(構)筑物,不過需要進行模型試驗。中國規(guī)范風荷載的設計方法為單一設計法,利用等效系數(shù)—風振系數(shù)或陣風系數(shù)考慮脈動風下動力影響,風洞試驗法作為特殊情況的補充。1.2相關荷載組合NSCP-2010中有LRFD設計法(極限狀態(tài)設計法)及ASD設計法(容許應力設計法)?？紤]極限狀態(tài)設計法在國內(nèi)認知度較高,本文僅討論LRFD設計法下的荷載組合,其中與風荷載相關的如下:式中:D為恒載,L為活載,L從中可見,NSCP-2010中風荷載的荷載分項系數(shù)為1.6,組合值系數(shù)為0.8,比我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)對應的風荷載分項系數(shù)1.4,組合值系數(shù)0.6高。2主要抗風體系的計算結果比較NSCP-2010對于風荷載計算分為主要抗風體系MWFRS(MainWind-ForceResistingSysterm)和圍護結構兩個部分,限于篇幅,本文僅對主要抗風體系MWFRS風荷載計算進行分析比較。2.1設計風荷載fNSCP-2010規(guī)定作用于MWFRS表面的凈設計風壓p或設計風荷載F的計算公式如下。式中:q為風速壓力,kPa;qGB50009-2012規(guī)定垂直于建筑物表面上的風荷載標準值,計算主要受力結構時按式(7)確定:式中:w2.2基本組成2.2.1平均風速與陣風時距的關系基本風速是風荷載設計的基本參數(shù),各國規(guī)范對基本風速的確定有各自標準,通常按下列6個條件規(guī)定來定義:1)標準高度的規(guī)定。風速隨高度而變化,離地面越近,由于地表摩擦能量消耗較大,因而風速較小;隨著離地高度的增加,風速就越大,直到達到穩(wěn)定的梯度速度。2)標準地貌的規(guī)定。地表越粗燥,風能消耗也越大,平均風速越小,因此有必要為平均風速規(guī)定一個共同的標準,目前風速儀大都安裝在氣象臺,一般離開城市中心一段距離,且一般周圍空曠平坦地區(qū)居多。3)平均風速的時距。平均風速的數(shù)值與時距的取值很有關系,時距越短,必定將記錄中最大值附近的較大數(shù)據(jù)都突出反映在計算中,較低風速在平均風速中的作用難以得到反映。時距越大,由于陣風有較長的持續(xù)性,衰減較慢,平均值基本上是穩(wěn)定值。4)最大風速的樣本。最大風速具有周期性,每年季節(jié)性地重復,世界各國基本上都是取年最大風速作為統(tǒng)計樣本。5)最大風速的重現(xiàn)期。以年最大風速作為樣本,從概率的意義上來說,重現(xiàn)期越長,不超過設計最大風速的保證率越高。6)最大風速概率分布曲線類型。最大風速涉及概率計算,必須根據(jù)合適的概率密度函數(shù),選取最符合最大風速出現(xiàn)規(guī)律的曲線線形。NSCP-2010規(guī)定基本風速V:C類粗糙度場地,離地高度10m,時距為3s,按50年重現(xiàn)期確定的年平均最大風速,與GB50009-2012的對比如表1。根據(jù)表1,中、菲規(guī)范在基本風速的定義僅在時距的取值上存在差異,風速記錄表明,陣風的卓越周期約為1min,通常認為10min(約10個周期)至1h(約為60個周期)其平均值基本上是一穩(wěn)定值,中國、前蘇聯(lián)、日本、國際標準化協(xié)會(ISO)標準時距取10min,美國、印度、澳大利亞取3s。表2為各種不同時距與10min時距風速的平均比值。涉外工程項目上,業(yè)主提供本國基本風速,在了解其定義前提下,可根據(jù)表2進行簡單轉換計算。因此,菲國基本風速V≈1.42v2.2.2土壤粗糙度分類風壓沿高度變化與地面的粗糙度有關,GB50009-2012與NSCP-2010的對比如表3。2.2.3風壓高度變化系數(shù)的變化系數(shù)和風壓暴露系數(shù)的變化系數(shù)NSCP-2010的風速壓力暴露系數(shù)K2.2.4體系數(shù)和風壓系數(shù)NSCP-2010的風壓系數(shù)C2.2.5結構的隨機振動理論基礎風成分中除了平均風之外,還有脈動風,它是一個隨機荷載,因而引起結構的隨機振動,理論基礎是隨機振動理論。脈動風中順風向風振的影響常用等效靜力荷載來表示,其中NSCP-2010的陣風影響系數(shù)G或G10.85或表達式8計算剛性結構2峰值因子法式中:GB50009-2012對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋,以及基本自振周期T式中:g為峰值因子;I其中,最顯著的區(qū)別是對于風振響應不大的結構NSCP-2010陣風影響系數(shù)取0.85,GB50009-2012的風振系數(shù)取1。2.2.6線單位為kn/m式NSCP-2010規(guī)定風速壓力(單位為kPa):式中:KGB50009-2010規(guī)定基本風壓(單位為kN/m式中:空氣密度ρ實際是個變量,GB50009-2012統(tǒng)一標準為“一個標況大氣壓下15℃干空氣密度,重力加速度9.8m/s其中特別需要說明的是NSCP-2010規(guī)定的基本風速V單位為km/h,1km/h=0.278m/s,按GB50009-2012得其常數(shù)0.2783菲律賓地面風速、風壓取實際工程中的建筑物,分別采用NSCP-2010以及GB50009-2012計算風荷載,限于篇幅,僅對作用于MWFRS的風荷載進行計算比較。初始條件如下:雙坡屋面(坡度為3/10),全封閉剛性建筑,建筑物尺寸50m(長)×12m(寬)×10m(高);菲律賓當?shù)靥峁┗撅L速V=200km/h,地面粗糙度ExposureD,重要性等級為標準級(IV級)。其中,算例中采用NSCP-2010中的第2種風荷載計算方法分析法進行計算,計算結果比較可見:1)NSCP-2010考慮了內(nèi)部風壓的雙向不利影響,因此,按最不利工況往往較GB50009-2012大很多,例如:背風面屋面有126%的差別,差別最小的是背風面墻體也有27%。2)NSCP-2010在迎風面屋面上的外部風壓考慮了風吸和風壓兩種工況(屋面夾角<45°),GB50009-2012考慮為單一風吸工況(屋面夾角<30°)。3)NSCP-2010中背風面墻體外部風壓系數(shù)取值考慮建筑物的長寬比,算例中L/B≥4取-0.2;與之對應的GB50009-2012的體型系數(shù)統(tǒng)一取-0.5。4風荷載計算結果對比1)兩國荷載規(guī)范理論上都建立在流固耦合隨機振動理論的風振分析方法的基礎上,只是各自經(jīng)濟水平發(fā)展不同,經(jīng)驗積累也有差異,導致具體的設計方法和一系列的參數(shù)取值不同。2)NSCP-2010是一部行業(yè)協(xié)會主導編制規(guī)范,特點就是分類細,對剛性結構,柔性結構,圍護結構等在平均風和脈動風作用下的不同影響,采用不同公式計算,對于低矮建筑也采用專門的規(guī)定。GB50009-2012是一部行政主管部門主導編制的規(guī)范,特點就是兼顧全面,在保證安全前提下盡可能的減少繁瑣計算公式帶來不便。3)NSCP-2010規(guī)定的風荷載計算中的風壓分區(qū)較多,各分區(qū)的風壓系數(shù)不同,更加接近于實際情況;GB50009-2012僅在計算圍護結構時考慮局部體型系數(shù)的分區(qū),但體型系數(shù)項次比NSCP-2010更多,原因是中國的工程項目的體量遠比菲律賓多,必須考慮更多的建筑外形造成的影響。4)NSCP-2010規(guī)定風荷載計算需考慮內(nèi)部風壓的雙向不利影響,造成風荷載工況較多,而GB50009-2012規(guī)定計算圍護構件風荷載時,考慮建筑物內(nèi)部壓力的局部體型系數(shù)。5)對風荷載敏感或特別復雜的結構,兩種規(guī)范都規(guī)定應該通過風洞試驗來確定風荷載計算基本參數(shù),對于GB50009-2012中的D類粗糙度類別,NSCP-2010考慮到復雜的局部風隧效應和尾流顫振效應,取消了該地面粗糙度規(guī)定,建議采用風洞試驗確定風荷載計算基本參數(shù)。6)NSCP-2010風荷載計算結果與GB50009-2012差別較大,最主要的原因是結構設計體系的差異,菲律賓結構設計規(guī)范體系(LRFD設計法)脫胎于美國規(guī)范,