中美日三国规范高层结构风荷载标准值对比

中美日三国高层结构风荷载标准值对比 第,,卷第,,期 ,,,,年,,月湖南大学学报(自然科学版),,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,;,,,;,,),,,(,,(,,(,,,;,(,,,,文章编号:,,,,—,,,,(,,,,),,,,,,,—,, 张军锋，，葛耀君，柯世堂，赵林 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海,,,,,,) 摘要:世界各国规范对高层结构的顺风向风荷栽标准值都取多参数表达的计算式，各 参数取值的差异最终反映到荷载标准值的大小(以参数分析为基础，对亚太地区具有代表性 的中美日三国荷栽规范关于普通高层结构顺风向风荷载标准值的取值原则和计算思路进行 了对比(研究了基本风速、风剖面、紊流度、脉动效应系数等各参数的取值以及各参数间的相 互影响，分析了脉动效应系数的取值和影响因素(以三个不同高度的典型结构为例，分别采 用三国规范计算风荷栽标准值及特征响应，并对不同国家规范荷裁标准值和响应的差异进 行了讨论(结果表明，对于结构顺风向风荷裁标准值，日本规范——————————————————————————————————————————————— 最大而中关规范基本相当( 关键词:荷裁规范;高层结构;顺风向;风荷栽标准值;脉动效应系数 中图分类号:,,,,,(,文献标识码:, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,。,,,,叫,,，,,,,,,,,,,，,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,:,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,、砘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,(,,,,,)，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,，,,,,,,;,,;,,,,,,,(,,,,,;,,)，,,,,，,(,,,,,),,,,,,,,;,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,，】,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,，,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一目,能,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,龇,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,？,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,, ,,,,,,,,:,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,;,,, 随着地球气候日益恶化，风灾出现的次数愈加 频繁，风荷载已成为某些地区工程设计的主要荷载之一,,】(因此，世界各国在荷载规范中都对风荷载做了详细的规定，并采用多参数表达的形式计算风荷 ?收稿日期:,,,,—,,,,, 基金项目:国家自然科学基金委和日本学术振兴机构合作研究项目(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,) 作者简介:张军锋(,,,,,,)，河南平顶山人(同济大学——————————————————————————————————————————————— 博士生,通讯联系人，,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,(;,, 万方数据 容,,,,,，其中的顺风向脉动效应更是各国规范及研需要注意的是，美国规范中的场地类别编号与究人员关注的热点,,“矗,(但现有的对比研究多针对我国的编号相反:即美国的,,,,,,,类地貌分别单一参数展开如基本风速、风剖面、湍流度、脉动效相当于我国的,,,,,,,类地貌;美国规范从,,,,应系数等,,,，而风荷载标准值是作为一个独立量值版已取消了,类场地(相当于我国规范的,类)的参与结构设计的(作为一个多参数表达式，其内部参相关计算公式和图表，明确建议在,类场地的新建数之间是相互联系的，单个参数的差异并不能真实建筑以风洞试验确定风荷载(但为进行对比，本文对反映荷载标准值的差异，有必要系统地对各国规范美国规范依然取四类场地进行分析(日本规范地貌的风荷载标准值进行对比(中国、美国和日本三国同类别的划分更为详细，分为,类，其，,，,,,类分别受北太平洋气候影响，自然风特征有一定的类似性(对应于与我国规范,,,,,类，而我国规范的,类因此，本文对亚太地区具有代表性的中美日三国规地貌范围较广，基本包括了其，，,，，，两类地貌(范，在参数分析的基础上，着重对结构顺风向风荷载另外，美国和日本规范都计及风向修正系数，但美标准值(,,,,,,,,,,,,)的取值原则和计算思路分国规范依结构和场地类型对基本风压取风向修正系数别予以介绍并进行分析比——————————————————————————————————————————————— 较(,,,,(,,,,(,,，用于荷载组合并配合荷载分项系数 使用(日本规范则依各地主导风向取,,,,(,,,,(, ,风荷载标准值取值原则用于基本风速计算，如转换为风压修正系数则为,(,, ,,(,(我国规范中并没有明确的风向修正系数(在下 由于自然风的脉动性，对结构是一种典型的动文对比计算中，对日本规范中风速的风向修正系数取力作用，且幅值随体表位置变化(为保证结构设计的中值,,,,(,，对美国规范按其规范说明对普通结构安全和设计过程的简洁，各国规范对风的这一随机取风压的风向修正系数,,,,,(,,( 裹,各国规范风荷载标准值计算 ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 规范名称中国(,,,,,,,,,,,,,)美国(,,,,,,,,,,,)日本(,,,,,,,,) 表主体结构型藿,,？,,,—,(,,)当,照一～霈:如:相;,,,,”‘„。 姜(对嵩潦筹?)围护结构毗,屉脚肚撕,,“?,一鼢),,;一刚,; 屋盖结构一一豫,和,像 基本风压,基本风速,,一,(?邸如？,,,(和,,,咖,,(,硼,, ——————————————————————————————————————————————— 计算高度处的风压毗,皿呦？,？,,,,,,。,卿一铷,,,呈廊《, 空气密度,,,(,,,,,，,,,,,(,,,,—,,,(,,,,,一 动力,脉动放大系数且，岛,，,,,,，,,，;; ,(一,(,,(?,),,,,,(,,(,,历)知 风压高度变化系数加,,(,,(??)缸,(,?,?,,,?,?历 舢((?卢?,(,,,,一,(,,(,(,,,，)厶,,,,(,,(,,磊)缸 ,?,?,(,,?,?五 ,????????????????????????,???????。?,????? ,一,(,(,,,,)—,“峙 紊流度(,,(幻,,一(痨,,?,?历 (相关参数见表,)(‘葺(功,,(,?,,,?。““,,’(,,,,),:,;,(,,,,),,‘,,,(,(,;,,,,)—,,(;‘ ，(曲,,(,,,,,,,,(，,,,,(,‘’(?,,),: ?„,,?,?,,,???,?,„,,?,?,,?????,,?,??????„?,,??,??,?????„?——————————————————————————————————————————————— ,??,???????„。„??,?,????,,,,??,?,?,?,???,,?,,,???,。„,?????,,???,??,,,????,????,?????,,‘‘‘‘‘。。。‘。’‘。„‘„‘。‘‘’’’。’’。’‘‘‘‘’’?‘‘‘。’。?? 主体结构:迎、背风墙面体型系数差， 结构体型系数主体结构伪，只考虑外压外压体型系数,,,铂一,， 围护结构川。计人内压内压体型系数？屋盖结构:内外压体型系数差， ,,白一,’ 风压地形修正系效,二风速地形修正系数, 其他修正系数地形修正系数,风压风向修正系数,白风速风向修正系效,,风压结构重要性系数,风速重现期修正系效女一 万方数据 ,, 湖南大学学报(自然科学版),,,,年 注,为便于参阅，表,中符号均与各自规范一致，表,括号中为美国,,,,版规范最大里程风速对应的风速剖面幂指数( 美日两国规范还分别设有结构重要性系数(依结构重要等级分别取,(,,，,(,，,(,,和,(,,)和设计重现期修正系数，以根据建筑物的重要性等级对设计风荷载进行修正(我国风荷载规范条款中也指出对于重要结构其基本风压应相应提高，同时我国建筑建——————————————————————————————————————————————— 构可靠度设计统一标准中也有结构重要性系数的概念(可以看出，这些系数是各国规范体系设计可靠度指标的体现，故不在本文讨论之列，针对普通建筑，依各国规范均取修正系数为,(,(同样，对各国规范关于过山风等复杂地形的修正系数亦不做比较( 从表,可以看出，三国规范尽管对顺风向风荷载标准值的表达方式有较大差别，但基本思想完全一致(即首先确定基本风速或基本风压作为参照，再考虑高度方向上的风压变化、体型系数、由风速脉动(对于柔性结构还包括结构振动)所引起的脉动效应系数以及其他相关系数(但是，各国规范对这些参数的取值和计算思想都有明显不同，有必要系统阐述其取值原则并揭示其中的相互关系( ,参数比较 ,(,基本风速和基本风压 中国规范计算风荷载标准值的出发点是基本风压，并给出了全国基本风压区划图，而美国和日本规范则是从基本风速出发，对应地给出了基本风速区划图(为便于比较，由文,,,中的式(,)将中国规范的基本风压换算为基本风速( 表,列出了三国规范对于基本风速的确定方法(其差别主要在于风速统计时距和重现期的取值(回顾各国规范的演变，中国荷载规范的版次较为稳定，从上一版,,,,规范首次制定风荷载条文到现行,,,,规范对于基本风压一直沿用相同的计算方法，日本规范,,,,版与现行,,,,版主要修订了对脉动效应系数的计算方法(美国规范的更迭较为频繁，从,,世纪,,年代初到现在经历了,,,——————————————————————————————————————————————— ,，,,,,，,,,,，,,,,，,,,,五个版次(在,,,,版中，对于基本风压的确定由以往的最大里程风速值转换为,,时距的平均值，也即峰值脉动风速 万方数据 (,,,,,,,,,,,,,,,,,)，并以此进行概率分析确定风速 标准值和其他相关参数的调整(另外，美国规范还根据飓风影响将基本风速区划分为飓风影响区和非飓风影响区，并在,,,,规范中根据结构极限分析原则和更多的统计数据对飓风影响区的基本风速做了相应调整(显然，由于风速统计时距和重现期的不同，美日两国规范所定义的基本风速将大于中国规范( 袭,三国规范基本风速确定方法,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,, ,,;,;,,, 规范名称(,, ,。器,,,,)(,,主罢,,,,)(,,?) 平均风速时距 ,,,,,, ,, ,,,,,, 地面矧空偻产面,警 ——————————————————————————————————————————————— 空气詈势面 膏地面高度,,,,,, ,,, 重现期 ,,年 ,,年,,,年 最大样本风速年最大风速年最大风速年最大风速风速分布概率 极值，型分布 极值,塑分布 极值，型分布 飚风压比值美罾,日本,中国,?,,:,,,,(,,,:,,,,,,,(,,矿(,,咒,,,(, 不同统计时距基本风速的换算是一个研究课题， 对于,,,高度平均风速，美国规范参照文献,,,,给出了换算图，其换算结果与文献,,,的结果(表,)相差不 大(为便于对比，综合文献,,，,,,，本文取,,(:,,蛐, ,(,, , ,(,(中日两国规范对基本风速取值的差别主要 体现在重现期即概率保证率的不同，由文献,,,，,,,得 到,,年和,,,年重现期基本风速比,,?:,矗一,(,, ——————————————————————————————————————————————— :,(,( 裹,不同时距风速与,,,,,时距风速的比值,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 风速时距,,,。,,,,,,,,,,,,,,,,, ,。,,。, ,。, ,。是嚣 统计比值,(,, ,(,,(,, ,(,,,(,,,(,,,(,,,(,, ,(,, ,(,, 尽管空气密度为常量，但各国规范的取值并不相同(表,)，同样引起基本风压的差别(由于风速统计时距、重现期、空气密度以及风向修正系数选取不同，三国规范的基本风速和基本风压比值如表,示(,(,风压高度变化系数与来流速压 中美日三国规范均取风速沿高度按指数律变化， ,, 按照梯度风速相等原则计算不同地貌下风压高度变化系数(表,)，但幂指数和梯度高度选取不同(表,)(由图,可见，中日两国——————————————————————————————————————————————— 规范的风压高度变化系数较为接近，两者均明显大于美国规范且随高度的增加而愈趋显著(这并不表示前者规范的取值偏于保守，因为幂指数除与地貌有关外，还与风速统计时距密切相关:风速统计时距越小，反映出的平均风特性越弱，风速剖面的幂指数就越小(美国规范选用,,时距，相当于取风速脉动峰值，因而其风剖面幂指数相比中日两国规范均偏小(相比美国规范,,,,版，其风速时距从最大里程风速值法的,,,,,,,,(秒)(约,,,,,,,,,)转换为,,，其风压剖面幂指数也进行了折减(表,)( ，中国(,,,,,,,,,,,,)，美国(,,,,,—,,,,) ，十日本(,，卜,,,,) ,( 重,( 幽,( 嗳,( , ,?,,,,,,,,,,,, ,,,,,, 场地,,;，?(?) ,(, 重,?, 瞄,(,区,(, ——————————————————————————————————————————————— , ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 场地;倒? ,? 董,( 幽,( 暖,( , ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 场地,，,，, ——————————————————————————————————————————————— 高度,, 图,三国规范风压高度变化系数 ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 风压高度变化系数与基本风压的乘积代表了不同高度处的来流速压，来流速压的对比将更有意义(由图,可见，受风速时距的影响，中日两国规范的来流速压较为接近，美国规范的来流速压比中日两国规范高出近,(,,,,,(,倍，且愈接近地面、场地粗糙度愈高，差距愈明显(中国规范,类和日本规范，，类场地基本相同的风剖面和来流速压也表明本文对比选取的场地类别是一致的，边界层顶部相同的速压也表明不同重现期的风速换算方法是合理的(,(,紊流度 美国和日本规范都直接给出了紊流度的表达 万方数据 式，日本规范还给出了过山风紊流度的修正系数(中国规范中没有明确给出紊流度的表达式，但在其给出的脉动系数埘(,)中隐含了紊流度的概念(考虑到所选定的保证因子肛,,(,，可反推出紊流度(表,)(从图,可以看出，对于紊流度的规定仍然是美国规范最大，随高度和场地粗糙的增加，与中日两国规范的差距也逐渐增加，在高空甚至分别达到中日两国规范的,倍和,倍(中国和日本规范的平均风剖面接近但中国规范的紊流度取值却只有日本规范的,,,，这也是中国规范结构风振系数偏小的原因( ——————————————————————————————————————————————— ，美,中，日,中，日(，，，),中 黾硝醒米 色幺, ,仉 , ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 乏幺, 坦潮嚣坦域嚣张 ,, , ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,, 场地,,,,, 乞乏, 坦潮器锵 ,乱 , ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, 场地,,,,, 高度,, 图,三国规范不同高度的来流速压 ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,, ,(,体型系数 普通建筑作为钝体结构，会使流经其周围的流场发生改变，各国 规范都根据风洞试验提出了风荷载体型系数的概念来考虑作用在建 ——————————————————————————————————————————————— 筑物表面所引起的实际风压与来流速压的比值(由于脉动风的影响，结构表面风压的分布不能完全用平均风压的分布来表示;同时，结构的形体和尺度也会影响表面风压特别是侧面和背风面的风压取值【,】(各国规范均对多种类型建筑的风荷载体型系数做了详细的规定，但相比之下，中国规范的规定仍较为简略(更需要注意的是: ,)美国和日本规范均考虑体型系数在建筑物表面区域分布的变化和随建筑尺度的变化，而中国规 ,,湖南大学学报(自然科学版),,,,燕，中国(,,,,,,,,,,,,)，美国(,,,,,—,,,,)国和日本规范只有迎风面外墙风压按风剖面分布， ,(,其它墙面和屋顶的外表面风压以及内压均以建筑参葵,(,考高度处(约为屋顶高度)的来流速压为参考(另外，怅,(,与日本规范类似，美国规范对于建筑附属构件和低 矮建筑，外压体型系数是和阵风影响系数作为整体 ,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?来定义的，分别表示为,，,,和,，,,,，相当于中国规 ,范的忍。,,，,( 仉,)三国规范均考虑内压体型系数:美国规范的,内压体型系数是和阵风影响系数作为整体,,,;来仉定义的，对于大空间结构还考虑了空间折减效应;日 本规范对于围护结构取内压峰值系数而对屋盖结构 ——————————————————————————————————————————————— 仉,取均值系数;中国规范则仅在计算围护结构时才考 虑内压体型系数(螂臻檄避鹾懒,)日本规范在结构计算时使用压力系数,,和 ,仉仉,阻力系数,,两类体型系数(表,):对屋盖结构采用 上下表面压力系数的差值;对构件和附件则采用内 , 仇外压峰值压力系数的差值;结构整体分析时，迎风面 毯堰惭,和背风面的内压相互平衡，故采用不计内压作用的 ,阻力系数，也即迎风面和背风面压力系数的差值(美 场地,，,，,国规范对结构和构件分析时都同时考虑了建筑物的 高度,,内外压作用( 图,三国规范不同高度的素流度由于结构类型多样，各国规范对风荷载体型系 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,数的规范相当复杂，使得结构风荷载标准值难以统 一量化对比(但三国规范对矩形断面建筑的体型系 范并未考虑，对同一墙面的取值相同;中国规范对结 构外表面风压体型系数均以计算高度来流速压为参数取值基本一致，有助于进行典型结构的顺风向风 荷载比较(另外，结构顺风向整体计算时，内压亦将 ——————————————————————————————————————————————— 考，即结构高度方向的风压分布与风剖面一致，而美相互平衡，故可不计( 表,体型系数的差异 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,;,,,, 规范名称中国(,,,,,,,—,,,,)美国(,,,,,—,,,,)日本(,,,,,,,,) 主体结构篱箨棼磊不计计计，采用未箍嚣是京主蓁数的差值体型系数及迎风面,(,,计算点高度 参考高度其它墙面和屋顶一,(,。计算点高度一,(,。对于平屋顶取屋顶高度。对于坡屋顶取屋顶半坡高度 屋盖结构不计计计，取上下表面压力系数差 附属构件计，取，,(,或一,(,计，同时考虑阵风影响计,采用内外压峰值体型系数的差值 注:表中“计”、。不计”表示计算中对内压的取舍( ,(,顺风向脉动效应系数脉动性和结构动力响应进行分析，对普通结构可仅计 由于风压的脉动性以及所引起的柔性结构共振一阶振型计算脉动效应系数，但计算思路各不相同:中分量的参与，致使结构响应大于平均风压所引起的 响应(为便于设计，在进行等效静风荷载计算时，三端位移的阵风因子法(哪)和基于基底弯矩的阵风国规范采用惯性力法而美日两——————————————————————————————————————————————— 国规范分别采用基于顶 国规范都针对不同的结构,构件引入了平均风压的因子法(,,,,),,，,,，,,:,;选取的计算参考指标也因此各脉动效应系数,,(表,)，这也是各国研究者及工程不相同:中美日三国规范分别取结构计算高度处的位界关注的焦点(为清晰系统地了解各国规范对风荷移、顶端位移、基底弯矩(这也使得中国规范,,按高度载标准值的取值，有必要对于顺风向脉动效应系数变化，而美国和日本规范,,对整个结构高度取值,,,计算思路和取值原则进行对比分析(表,):恒定( ,)三国规范均采用随机振动理论，同时考虑风速,)中美两国规范对于刚性结构都给出了简化计万方数据 第,,期 ,, 算方法，但对刚性结构的划分并不一致(美国规范对于刚性结构和柔性结构,,，的差别仅在于是否考虑共振响应分量，对于刚性结构，也可直接取偏于保守的,,,,,,,,(,,(比表,公式偏大,,,,,,),,,(中国规范对刚性结构的限定更为严格，但对刚性结构直接取,,,(,，相当于同时忽略了自然风的脉动风速和结构的共振响应，不甚合理(日本规范在,,,,版中同样给出了刚性结构以及低风速下结构,,的简化算法,,,，但在,,,,版规范中已不再区分( ,)尽管没有像美国规范一样显式地给出背景响应分量,和共振——————————————————————————————————————————————— 响应分量,，但中日两国规范表达式的 脉动增大系数,和,门二磊蔚都是这两项分量和的体 现( ,)美国规范对背景响应,和共振响应,分别采用了不同的峰值保证因子,,和,,，日本规范虽区分,和,，但峰值因子均取,,(中国规范并未区分,和,，而是采用惯性力的表达方法，但在脉动系数的计算中取脉动风压的峰值保证因子卢,,(,，并对结构位移响应的方差取同样的保证因子，或者说对,和,均取卢,,,,,(,(相比美日两国规范，此规定相对粗糙且取值偏,,(表,)( ,)美国规范基本风速的统计时距为,,，而在脉动效应系数计算中仍然使用了小时平均风速(美日两国规范都考虑了风荷载对结构的附加扭矩作用，日本规范还对相邻建筑物的干扰作用给出了说明(另外，美日规范都明确说明，条文方法只适用于不需考虑涡致振动、气动不稳定性等特征的结构，对于此类结构应通过风洞试验确定其风荷载( ,)三国规范在顺风向岛的计算中均用到第一 阶振型模态，但取值各不相同:中国规范按结构弯曲和剪切刚度比值给出了振型近似计算公式，美日两国规范取简化振型仇,:,,，日本规范还根据结构实际振动模态与参考模态的一致性和结构质量分布特征取修正系数咖( ,),,作为计算参考指标响应极值与均值的比值，美国规范基本风速值采用,,统计时距，其均值响应在总响应已占绝大比例，且——————————————————————————————————————————————— 由于系数,(,,,的存在，所以对刚性结构其计算结果总小于,(,，柔性结构的,,,取值也在,(,附近( 袭,三国规范顺风向脉动效应系数计算公式 ,,,(, 规范名称 ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,, 中国(,,,,,,,,,,,,,)美国(,,,,,,,,,,,)日本(,,一,,,,) „„曼墨搏曼„„„„„„„奠墨(曩堡咎璺 曼„„„„„„„„„„„(第蔓婴塑堡 曼„„„„„„„„„„„„„堕～峰曼要矍„„„„„„( 眺结篇刖, 岛,, 哩冀妻差竽辅蚪 黍孳结奠‘芋罗硝、，于,)? 譬。,茹铉 ，;脉动影响系效 (一，口 产一“‘ ,,风振动力系数 ——————————————————————————————————————————————— ,眦„黼„。,竺嚣构翼，,,,，,？,鬻,(, 柔性结构(基频小享,,，,,:?,,,?,,,。箬,,,万蔚,:,(,,,,,(釜:嚣荔萤竭”归。麓三二,“。 ,,,(，,,(,工丁瓦?广) , 不区分刚性和柔性结构，统一为一 ,,,(三,,‘二竿—高莲与,苎坐,)归,振型修正系效 ,,。结构等效;主鑫菇藉杂度 ,,,,?,’西,,?, 峰值 保证因子 积:,—,,,(,,—,,,),(—;垩兰垒:, 肋筝、压瓦,百丽高五,丽 (在下文的算例中，取值均大于,) 由当地气候决定，取值原则基本相同(在计算中基本 ,等效风荷载标准值及风致响应对比 为了确定各国风荷载标准值，以典型钢筋混凝土框架结构为例，分别采用三种规范进行对比分析，结构特征如表,所示(对于结构基频，参照美国规范,,,的算例确定,,的基频，以此为基础根据动力学原理调整得到,,和,,的基频(同时表,还给出了中国规范,,,对框架和框剪结构的计算值作为对比，本文基频取值偏大但作为算例依然合理(对于结构的阻尼，美国规范并未给出取值原则，日本——————————————————————————————————————————————— 规范则是取第一阶振型的阻尼，在以下计算中统一按中国规范取,,,(,,( 各国规范的场地类别划分不一，但基本风速都源于各自的标准地貌，且对某一特定地区，基本风速 风速以中国规范为基准，取,类地貌,,,,,高度,,,,,,平均风速,,一,,,,,，美日两国规范基本风速参照表,进行调整得: 钟。一,(,,,,,,,(,,,,;,,:,,(,,,,,,,(,,,,( (,) ,(,脉动效应系数取值对比 从表,可以看出，对脉动效应系数取值日本规范最大而美国最小，差距甚至达到两倍;各国规范,,，均随场地粗糙度即湍流度的增加而增加(同一场地下三个结构的,,，取值美国规范变化较大而中国规范基本一致(这是由于中美两国规范同采用位移作为参照，中国规范对共振响应的保证因子取常量而美国规范对,,的取值随结构柔性的增加而增加( 万方数据 ,, 湖南大学学报(自然科学版) ,,,,年 同一场地下,,随结构高度的变化规律也不一致:美国规范,,，——————————————————————————————————————————————— 取值随结构高度的增加而增加，中日两国规范,,，取值在高粗糙度场地下会随结构高度的增加而减小( 表,典型结构参数 ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 建筑编号 ,, ,, ,, 高宽比,,, , , , „差麴(,～(,生„„虬曼“坠曼堕„„(啦踅,:～弛„„(,: 王弘啦殳啦„ 其他 底边长,,,,,,,,，阻尼比;,,,(,, 注。括号中数值为依中国规范得到的基频( 表,不同场地类别下三个结构的脉动效应系数 ,,,(, ,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 中国(,,,,,,,,,,,,)美国(,,,,,,,,,,) 日本(,，,,,,,,) 场地 儿,,,, 场地 ,,,,,,场地 ,,,, ,, , ,(,,,(,,,(,,, ,(,,,(,,,(,,，,(,,,(,,,(,,, ,(,,,(,,,(,, ? ,(,,,(,,,(,,,,(,,,(,,,(,, ，?,(,,,(,,,(,,,,(,,,(,,,(,,,,(,,,(,,,(,,,,,(,,,(,,,(,,, ,(,,,(,,,(,, , ,(,,,(,,,(,, ——————————————————————————————————————————————— , ,(,,,(,,,(,, 注:中国规范计算结果为结构顶部的脉动效应系数 需要注意的是:,),;,随结构高度的变化规律还与阻尼比等有关:如取,一,(,,，则美日两国规范,,，,,，,,的脉动效应系数分别增加约,,，,,，,,,和,,，,,,，,,,，日本规范，,,,类场地下 的吼亦将随结构高度的增加而增加;中国规范三个 结构都增加约,,,，同一场地下的差异依然不明显(或者说，美日两国规范,;，对阻尼的敏感性随结构高度的增加而增加，而中国规范,,对阻尼的敏感性与结构高度无关(,),;,与基本风速大致呈线性关系(图,):中国规范,,,受风速的影响并不显著，而美日两国规范,,,对风速变化较为敏感，且敏感性随建筑高度的增加而增加(这主要是由于中国规范的紊流度较低，且美日两国规范分别取,(,,时结构顶部处的紊流度而中国规范在计算脉动影响系数,时是考虑整个结构高度范围的紊流度，因此脉动效应随风速变化并不显著(另外，中国规范,,沿建筑高度的分布也基本呈线性变化(,(,风荷载标准值和风致响应对比 根据基本风速、风压高度变化系数(图,)、体型系数(表,)和脉动效应系数(表,)，可以确定结构顺风向风荷载分布(前文已述，由于是顺风向的整体结构计算，体型系数的选取不计内压(计算结果表明，尽管三个结构高度不一，但荷载分布模式基本一致，图,——————————————————————————————————————————————— 和表,分别给出了,,结构在不同场地类别下的荷载分布及基底弯矩、基底剪力和顶端位移( 由于中国规范的脉动效应系数沿结构高度增加而美日两国规范对整个结构取常数，且美日两国规 万方数据 范背风区风荷载计算不受风剖面影响，因此，中国规范计算得到的风荷载标准值沿高度变化较美日两国规范显著(中美两国规范的荷载分布在各场地下较为一致，但由于中国规范的荷载分布沿高度变化较剧烈，所以两国规范的基底弯矩和顶端位移接近而美国规范计算得到基底剪力明显偏大(各国规范的 荷载分布模式在不同场地类别间变化不大，但荷载大小受场地粗糙度影响程度为日本规范最大而美国规范最小(日本规范低粗糙度场地下的荷载幅值明显大于中美两国规范，随场地粗糙度的增加逐渐接近中美两国规范，并且高粗糙度场地下的荷载分布与美国规范基本一致( 赣 ,,,, 翅校稃萱 基本风速(,,,),以中国规范为基准 图,脉动效应系数随基本风速的变化 ,,,(, ,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,;,,,,,, 趔始,,章 , ,(, ,(, ,(, ,(, ,(, 趔棼 ,,辜 ,趔 ,, 供骣 ,,, ,趔,,樊 ,驱 ,,, ,(, ,(, ,(, ,(, ,(, ——————————————————————————————————————————————— 场地,,,,, 风荷载 田,风荷戢标准值分布 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, 表,风荷载标准值风致响应 ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,结论 本文对亚太地区具有代表性的中美日三国荷载规范对普通高层结构顺风向风荷载标准值的取值原则和计算思路进行了探讨，在参数分析对比的基础上，研究了参数间的相互影响，并以三个不同高度的典型结构为例，分别采用三国规范计算等效风荷载标准值来计算结构特征响应(因各参数取值原则的差异和脉动响应系数计算思路的不同，导致各国规范的计算结果有较大出入(研究发现: ,)结构风荷载标准值作为多参数表达的计算式，其内部参数之间是相互联系的，单个参数的差异并不能真实反映荷载标准值的差异( ,)各国规范对结构体型系数的规定纷繁多样，难以统一对比，但相比之下，美国规范最为详尽复杂而中国规范较为简单易用(在对比分析时需要注意其参考风压的取值点、是否包含脉动放大系数、内——————————————————————————————————————————————— 压取值和组合方法等问题( ,)脉动效应系数,,,作为各国风荷载规范最为关心的系数，各国规范所涉及的计算思路、参考指标、结构分类方法和模态振型等各不相同，同时还受场地类别划分的影响(总的说来，对脉动效应系数的取值美国规范最小而日本规范最大( ,)由于新版规范中采用,,阵风风速，美国规范的基本风速、湍流度及脉动风速均远大于中日两国规范，但在脉动效应系数的计算中使用小时平均风因子偏小，因此脉动效应系数明显小于日本规范( ,)对于脉动效应系数,;,，美日两国规范,,,对,)受脉动效应系数和风剖面的影响，中国规范计 万方数据 算得到的风荷载标准值沿高度变化较美日两国规范显著;各国规范的荷载分布模式在不同场地类别间变化不大，但荷载大小受场地粗糙度影响程度为日本规范最大而美国规范最小(总的来说，结构顺风向风荷载标准值日本规范最大，中美两国规范基本相当( 限于研究目的和各国规范条款的复杂性，上述研究仅局限于各国荷载规范中的风荷载取值(即使是对高层结构顺风向风荷载，我国相关规范,,,,中也 有不同于荷载规范的风荷载取值条款，对各国规范的全面比较仍需详细而深入的研究( 参考文献 ，:,,张相磨结构风工程,,,(北京,中国建筑工业出版社，——————————————————————————————————————————————— ,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,吼;,,;,,,,,,,,(,,,,呕,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,((，,,,血,,,) ,,,张相磨国内外风荷载规范的评估和展望口,同济大学学报，,,,,? ,,(,):,,,,,,,,( ,,,,,??乎血罾,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,饵((,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,五,,，,,,,，,,(,),,,,— ,,,((，,,,,,,,,) ,,,金新阳(亚太地区各国风荷载规范的现状和发展趋势,,,,,第十一 届全国结构风工程学术会议论文集(中国三亚，,,,,:,,,,,,,,( 心,,,,,,,舀,,，,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,日,,,;,,,,,。;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,;,?、),,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,，;,，,强，,,,,,,,,—,观(，, ,,,,,,,) ,,, ,,,, ,(,，,,,,,，,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,乜? ,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,, ,『,(,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,，,,,(,),,,,—,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,,诚,,,,,,,,,,,, ,幽,日,,;,,,,,,?,,,,,,,,,,—,,,,;,?矗豫磷,,,,,,,,,,,?一,,,，,,,??，,抽,,，,,,,:】,,—,,,( 海:同济大学土木工程学院，,,,,( 砌, ,(,,,,,,,,,,;,,,:，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ——————————————————————————————————————————————— ？,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,，),?,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,， ,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,((，,,,,,,,,) ,,,,(,,,,,,,,—,,婚,,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,,,,,，,,两?,,,,，哦?,,,,,, ，?,,,, ,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,，,,,,((，,,,,,,,,) 社，,,,皖 ,,,,,,,一加,,(,伪,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,;,,,?,,,, ,,,,,,:,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,,,,。娥(，, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,) ,,,,州,,(,,,,?,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,朗,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,口,，,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,),,,,,;,,,,;,,,,, ,两一 ,,,, ,, ,,,,,，,,,,((，, ,,,,,,,) ,,,一,,—,,弛公路桥梁抗风设计规范,豇北京?人民交通 出版社，,,,,( ,,,,,?船一,,—,,,,(、,,，,,,,,妇,,,,,?,,,,,,;,,,,, ,,,,,,,,,, 嘶由对,,(,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,，,,,,((，, ,,,,,,,) ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,,,痂,，,,,,，,,:,,,—,,,, ,,,,,,, ,,蚴,,,,,,,,,,,;,, ,,,,,,,,,;,,?蛐,,,岫,,,(,,,,;, ,,,,,,,, ,,,,,,四,,,,,,,,，,,,,( ,，,,,,,,,,,晰商,培,,,, ,(,,,,,,,,,,,,,;,,,—,,,,，,,,,;,,,,,,,, ,，,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,日,,,,谢?， ,,,,，,,(,,,,,):,,,,—,,,, ,，,,,,,,九,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,埘口,(,,,,,,, ,,,,,,;,,,,, ,,晒,,口,珥，,,,,，,,,(,),,,,—,,,( 业出版社，,,,,( ,(玎,—,,,巴,,;,,,;,,,,,;,,,;,,,,,,,,;,,;,,,,,,】,;,,,?,,,,,,,,,,,,酬 ,,西？,画,唱,,,,,,,,;,,,,;,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,，,,,,((，,,,,, 速并对脉动效应系数进行了折减，因此其计算风荷载标准值与中国规范相当(中日两国规范的基本风速接近，但由于中国规范的紊流度和结构响应保证阻尼的敏感性随结构高度的增加而增加，而中国规范,,对阻尼的敏感性与结构高度无关，这一现象值得探讨(脉动效应系数与基本风速大致呈线性关系:中国规范的计算结果受风速和建筑高度的影响并不显著，而美日两国规范的计算结果对风速变化较为敏感，这主要是中国规范的紊流度较低引起的( ,,,周印(高层建筑静力等效风荷载和响应的理论与实验研究,,,上 ,,,黄韬颖(中美澳三国风荷载规范的比较,,,北京,北京交通大学? ,,,,,,,,,,,,,,,,(建筑结构荷载规范,,丑北京，中国建筑工业出版 口,,,?,,,,, ,,,,,,，，,,,,,—,,(，,?,,,,, ,,,,,,,,,切?瓜,, ,,,,,,,,，,,，,，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,高层建筑混凝土结构技术规程,,,(北京;中国建筑工 作者: 作者单位: ——————————————————————————————————————————————— 刊名: 英文刊名: 年，卷(期): 被引用次数:张军锋， 葛耀君， 柯世堂， 赵林， ZHANG Jun-feng， GE Yao-jun， KE Shi-tang， ZHAO Lin同济大学土木工程防灾国家重点 实验室,上海,200092湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University(Natural Sciences)2011,38(10)2次 1.张相庭 结构风工程 2006 2.张相庭 国内外风荷载规范的评估和展望[期刊论文]-同济大学 学报(自然科学版) 2002(05) 3.金新阳 亚太地区各国风荷载规范的现状和发展趋势 2003 4.ZHOU Y;KIJEWSKI T;KAREEM A Along-wind load effects on tall buildings:comparative study of major intemationalcodes and standards 2002(06) 5.HOLMES J D Developments in codification of wind loads in the Asia pacific 2009 6.周印 高层建筑静力等效风荷载和响应的理论与实验研究[学位 论文] 1998 7.黄韬颖 中美澳三国风荷载规范的比较 1998 8.GB 50009-2001.建筑结构荷载规范 2006 9.ANSI ASCE7-2005.Minimum design loads for buildings and other structures 2005 ——————————————————————————————————————————————— 10.Recommendations for loads on building(2004) 2004 11.JTG/T D60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范 2004 12.DURST C S Wind speeds over short periods of time 1960 13.SIMIU E;SCANLAN R H Wind effects on structures 1996 14.KAREEM A;ZHOU Y Gust loading factor-past,present and future[外文期刊] 2003(12/15) 15.ZHOU Y;KAREEM A Gust loadling factor:new molel[外文期刊] 2001(02) 16.JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程 2002 1.陈鑫.李爱群.王泳.张志强 国内外规范自立式高耸结构等效风 荷载及响应比较[期刊论文]-建筑结构学报 2014(4) 2.邓洪洲.段成荫 新荷载规范修订对输电塔风荷载计算的影响研 究[期刊论文]-振动与冲击 2013(20) 3.童乐为.金健.周锋 中欧温室规范中风荷载取值的对比[期刊论 文]-农业工程学报 2013(21) ———————————————————————————————————————————————