最近, 我院所做的幾個印度工程允許按中國規范進行結構設計, 但業主所提供的風荷載是按印度規范提出的, 且由于兩國規范對風荷載的定義不同, 對工程設計中風荷載的取值存在爭議, 因此了解印度規范與中國規范關于風荷載計算的差異是有必要的。
印度風荷載規范IS:875 (part 3) -1987是由印度結構安全組織委員會制定, 國家工程學分會理事會通過批準后, 印度標準局采用的現行標準。
1 計算公式
1.1 中國《建筑結構荷載規范》
垂直作用在建筑物表面的風荷載標準值。
計算承重結構時為:wk=βzμsμz w0
計算圍護結構時:wk=βgzμslμz w0
式中:wk為風荷載標準值 (kN/m2) ;
βz為高度z處的風振系數;
μs為風荷載體型系數;
μz為風壓高度變化系數;
w0為基本風壓 (kN/m2) ;βgz為高度z處的陣風系數;μsl為局部風壓體型系數。
1.2 印度風荷載規范IS:
875 (part 3) -1987
設計風速Vz=Vb K1K2K3
離地面任意高度的設計風壓pz=0.6Vz2
作用在建筑物上的風荷載作用力F=Cf Ae pd。
作用在獨立結構構件 (屋面墻體和獨立的圍護單元和連接件等) 上的風荷載為:
式中:K1為概率 (危險) 系數, 為根據不同的風速區和設計年限確定的系數;
K2為地形、高度及建筑物尺寸系數, 為根據不同的地形類別、結構類別及高度確定的系數;
K3為地形條件系數;
Vb為基本風速;
Cf為力系數;
Ae為風荷載作用的有效面積;
pd為設計風壓;
Cpe為外壓系數;
Cpi為內壓系數;
A為結構構件或圍護單元的表面積。
2 基本參數
2.1 基本風速
中國規范。
離地面10m高, 空曠平坦地形 (地形粗糙度B類) , 重現期為50年的10min的最大平均風速。
印度規范。
離地面10m高, 地形類別2類, 重現期為50年的3s平均最大陣風風速。
從基本風速的定義上看, 僅時距取值不同;在各個國家的風荷載標準中, 標準時距會有不同;根據我國《建筑結構荷載設計手冊》, 非標準時距平均風速與時距10分鐘平均風速的換算系數β值是變異性較大的平均值, 可按下公式換算:
ν為時距10min的平均風速 (m/s) ;
νt為時距為t的平均風速 (m/s) ;
β為換算系數, 按表1取值。
不同時距與10min時距風速換算系數β, 表1。
根據ASCE/SEI 7-05‘Minimum design loads for building and other structures’附錄圖C6-4可得出不同風速時距的最大平均風速與一小時時距風速之間的關系;
附錄圖C6-4可得出不同風速時距的最大平均風速與一小時時距風速之間的關系;
根據圖1可得:V3/V3600≈1.52
根據表1可得:V3600/V600≈0.94
3s時距與10分鐘時距的換算關系為:V3/V600=1.52×0.94=1.4288, 取1.43。
2.2 基本風壓
中國規范:基本風壓w0=ρν2/2
取空氣的密度ρ=1.25kg/m3
印度規范:離地面任意高度的設計風壓pz=0.6Vz2。
2.3 地面粗糙度
中國荷載規范:對于平坦或稍有起伏的地形, 風壓高度變化系數應根據地面粗糙度類別按規范確定;地面粗糙度可分為A、B、C、D四類。
A類:近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區。
B類:田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區。
C類:有密集建筑群的城市市區。
D類:有密集建筑群且房屋較高的城市市區。
印度規范:地形類別分為四類。
類別1:暴露在空曠地形上 (無或僅有少量的障礙物) , 周圍建筑物平均高度小于1.5m, 包括空曠的海岸和平坦的無樹木的平原。
類別2:敞開地形上障礙物比較松散, 建筑物高度在1.5m~10m之間。
類別3:具有大量密集障礙物的地形, 建筑物的高度在10m之內且有少量或無獨立的高層建筑。
類別4:具有大量密集障礙物的地形。
印度規范場地類別的劃分與我國荷載規范基本一致。
2.4 風荷載隨高度變化
印度規范中考慮風荷載隨高度變化采用系數K2對基本風速進行修正, 取值見表2; (K2為地形、高度及建筑物尺寸系數, 為根據不同的地形類別、結構類別及高度確定的系數) 。
建筑物的類別A、B、C為根據建筑物的尺寸劃分。
類別A:結構或構件, 如圍護、屋面等最大尺寸 (最大水平或豎向尺寸) 小于20m。
類別B:結構或構件, 如圍護、屋面等最大尺寸 (最大水平或豎向尺寸) 在20m~50m之間。
類別C:結構或構件, 如圍護、屋面等最大尺寸 (最大水平或豎向尺寸) 大于50m。
對山區建筑物:山峰、山坡、山間盆地、谷地等, 印度規范采用系數K3對基本風速進行修正來考慮地形的影響, K3為地形條件系數。中國荷載規范。
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.
考慮風荷載隨高度變化采用風壓高度變化系數μz對基本風壓進行修正。
對山區建筑物 (山峰、山坡、山間盆地、谷地) 、遠離海面及海島的建筑物或構筑物, 需對風壓高度變化系數進行修正。
2.5 重要性系數
印度規范。
對單獨的荷載工況取重要性系數, 風荷載的重要性系數通過系數K1考慮對基本風速進行修正;K1為概率 (危險) 系數, 為根據不同的風速區和設計年限確定的系數, 詳見表3。
中國規范。
對荷載效應組合的設計值統一取重要性系數:對安全等級為一級 (破壞后果很嚴重的重要的建筑物) 或設計使用年限為100年及以上的結構構件, 不應小于1.1;對安全等級為二級 (破壞后果嚴重的一般的建筑物) 或設計使用年限為50年的結構構件, 不應小于1.0;對安全等級為三級 (破壞后果不嚴重的次要的建筑物) 或設計使用年限為5年及以下的結構構件, 不應小于0.9;在抗震設計中, 不考慮結構構件的重要性系數。
2.6 體型系數
印度規范通過Cpe (外壓系數) 、Cpi (內壓系數) 、Cf (力系數) 來表示不同結構體型對風荷載的影響;與中國規范不同的是需考慮結構高寬比及長寬比來確定?！督ㄖY構荷載規范》對此無沒有考慮, 在《高層建筑混凝土結構技術規程》中對矩形平面考慮了高寬比的影響。
關于內壓系數, 對封閉式建筑物, 按外表面風壓的正負情況取-0.2和0.2, 印度規范與我國規范是一致的;但對局部開孔的建筑物印度規范考慮了不同的內壓系數我國規范對此無說明。
2.7 動力響應
中國規范:對于高度大于30m和高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于025s的各種高聳結構以及大跨度屋蓋結構應考慮風壓脈動對結構發生順風向風振的影響, 采用風振系數來考慮。對圓形截面的結構應對不同雷諾數的情況進行橫風向風振 (漩渦脫落) 的校核。對非圓形截面的結構, 橫風向風振的等效風荷載宜通過空氣彈性模型的風洞試驗確定。
印度規范:對于高寬比大于5.0或第一振型自振頻率小于1.0Hz的結構應該考慮風荷載引起的動力效應;規范中介紹了陣風效力系數方法計算順風向的荷載。
3 結語
(1) 中國規范與印度規范不同間距的風速可進行轉化, 以方便工程設計。
(2) 風壓高度變化系數, 印度規范考慮對風速進行修正, 中國規范對基本風壓進行修正。兩國規范的地面粗糙度的定義基本相同。
(3) 風荷載體型系數, 印度規范規定較為復雜, 根據建筑物外形的具體尺寸規定了不同的取值, 而中國規范對常見的外形明確了體型系數, 應用比較方便。
(4) 對需要考慮風振影響的計算范圍兩國規定不同。中國規范對順風向的風振簡化采用風振系數來考慮, 應用方便。
摘要：隨著國外項目工程的增加, 了解國外規范與中國規范的差異對工程設計是有必要的。本文論述了印度風荷載規范IS:875 (part 3) -1987與中國《建筑結構荷載規范GB 50009-2001》風荷載計算的差異, 為以后工程設計提供參考。
關鍵詞：風荷載,風速,對比
參考文獻
[1] GB50009-2001, 建筑結構荷載規范[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.