中美規范風荷載的計算比較

王永華

(新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830001)

隨著我院海外事業的大力開展，越來越多的境外項目要求我們按不同的標準進行設計計算，通過筆者對多個國外工程設計中遇到的問題來看，世界各地對基本風速、工程地質等方面的劃分標準不盡相同，存在一定的差異性，決不能簡單地按我國的設計規范取值標準直接套用，這些問題經常給設計者帶來許多困擾。

風荷載設計方法通常是先參照某地的基本風速，然后將基本風速換算成基本風壓，最后據統計學原理對基本風壓進行不同的修正。由于自然環境的不同，世界各國在制定風荷載規范時對風荷載的基本計算參數有著不同的理解。因世界上大多數欠發達國家都以美國標準為依據，所以筆者根據實際工程的設計經驗，從基本風速、基本風壓定義出發，進行中美風荷載計算的比較，并提出相互換算的方法和工程設計過程中應注意的事項，供設計同行參考。

1 基本風壓的定義

(1)我國現行規范《建筑結構荷載規范》GB 5009-2001(以下簡稱中國規范)中定義的基本風壓為：“根據全國各氣象臺站歷年來的最大風速記錄，按基本風壓的標準要求，將不同風儀高度和時次時距的年最大風速，統一換算為離地10m高，自記10min平均年最大風速(m/s)。根據風速數據，經統計分析確定重現期為50年的最大風速，作為當地的基本風速V0。再按貝努利公式W0=1/2ρV02確定基本風壓。”也可統一按公式W0=V02/1600(kN/m2)或W0=0.625V02(N/m2)計算。

中國風荷載標準值計算公式：

(2)美國現行規范《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(《建筑物和其他結構最小設計荷載》)美標ASCE 7-10(以下簡稱美國規范)中對風荷載的規定進行了全面改寫，并將風荷載的規定由原來的第6章擴充為六個章節(第26章到第31章)，并統一了美國各種結構設計規范的基本設計原則和荷載取值標準及荷載組合原則、荷載分項系數及組合系數的取值規定，因為對基本風速的取值進行了修訂，故風荷載系數分項從ASCE 7-05的1.6修訂為ASCE 7-10的1.0。其基本風速定義可譯為：“離地10m高，地面粗糙度為C，3s陣風風速，無颶風傾向地區重現期50年，颶風傾向地區的重現期500年。”

美國規范設計風壓p(相當于中國Wk)公式：

p =qZGCp- q1(GCpi)(N/m2)(對于開敞式結構而言(GCpi)=0)

式中：qz為速度壓力(相當于中國的μzW0)；G為陣風影響系數(相當于中國的βz，但取值有所不同)；Cp為風載體型系數(相當于中國規范的μs，但取值略有不同)。美國規范速度壓力qz公式：

式中：Kz為風壓高度變化系數(相當于中國的μz，但取值略有不同)；Kzt為地形因素系數(對于平地取1.0)；Kd為風方向性因素系數(美國規范規定一般可取0.85～0.95，或按公式計算)；V為基本風速(相當于中國的V0)；

(3)中國規范中的基本風壓公式W0=1/2ρV02，是世界上大多數國家都通用的。如美國規范中速度壓力計算公式中不考慮風壓高度變化系數Kz和風方向性因素系數Kd等，則有qz=0.613V2與中國規范的0.625V02基本相當。這就是說中國和美國規范中荷載計算的差異不在風速和風壓轉換關系上，而在于風速的定義和取值上。

(4)比較中國和美國的基本風速定義可知：基本風速定義中涉及到離地高度、地面粗糙度、平均時距、荷載重現期等因素。中國和美國規范基本風速定義中相同的部分是：離地高度都是10m；荷載重現期都是50年；而不同的部分是地面粗糙度和平均時距。

2 基本風速的比較與轉換

由以上的分析可知：中國和美國規范中風荷載的取值差異，主要是由基本風速定義不同引起的。所以作為設計依據首先要對中國和美國的基本風速進行比較。

2.1 關于地面粗糙度的選取

(1)中國規范中，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：

A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區；

B 類指田野、鄉村、叢林、丘嶺以及房屋比較稀梳的鄉鎮和城市郊區；

C 類指有密集建筑群的城市市區；

D 類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區。

基本風速定義中選用的地面粗糙度為B類。

(2)美國規范中，地面粗糙度可分為B、C、D三類：

B 類指城市及市郊地區、樹林地區、或其他具有許多障礙物的地區，該障礙物大小如獨戶住宅或更大一點，且彼此靠近；

C 類指具有高度小于9.1m的障礙物的開闊地區。這一類別包括平坦、開闊的鄉村及草原；

D 類指平原、直接暴露于叢開闊水面上吹來的風的無障礙海岸地區。這一類別包括泥平地、鹽堿地和不間斷的冰地。

(3)美國規范中根據地面粗糙度又確定了B、C、D三類暴露類別：

暴露類別B：對于屋面平均高度小于等于9.1m的建筑物，暴露類別B適用于地面粗糙度類別為B的地形應在迎風方向大于457m。對于平均屋面高度大于9.1m的建筑物，暴露類別B適用于地面粗糙度類別為B的地形在迎風方向大于792m或建筑物高度的20倍以遠處；

暴露類別C：用于暴露類別B或D不適用的所有情況；

暴露類別D：適用于地面粗糙度類別為D的地形在迎風方向大于1524m或建筑物高度的20倍以遠處。也適用于在迎風方向先經過之前定義的暴露類別為D的地形，然后建筑物場地附近的地形粗糙度類別為B或C，且該地形在183m內或建筑物高度的20倍以內，取較大值。

(4)對中國和美國規范中的地面粗糙度類別進行對比，見表1。

表1 中美規范中地面粗糙度對比

盡管中美兩國規范中對地面粗糙度分類有所不同，但是氣象臺一般均設立在開闊平坦地區，均取此類地形作為基本風速取值的基準，因此中國和美國規范中地面粗糙度的條件是基本一致的。

2.2 平均風速時距

平均風速時距是指觀測和統計風速資料時所規定的時間間隔，一般取該時間間隔的平均最大風速。在同一個氣象臺，平均時距越小則記錄得到的平均最大風速越大，反之亦然。這是導致中國和美國規范中基本風速取值不同的主要原因。

不同時距的基本風速值可按IEC 60826附錄圖A.7(見圖1)所示進行換算。

圖1 不同時距風速換算示意

假設在中國規范中地面粗糙度B類地區，設時距為10min的風速為V中，時距為3s的風速為V美，現將V美換算成V中。查圖中直線B得3s時距的系數為1.39，即V美=1.39V中。再由基本風壓公式W0=1/2ρV02得出：

風壓比：W美/W中=V美2/V中2=1.93

由此可知，平均風速時距取值越短，則風壓值越大，反之則越小。中國規范中取10min為平均風速時距；但是世界各國各有不同的規定。例如美國取3s，前蘇聯取3min，歐洲規范取10min，加拿大取60min，日本取瞬時，英國根據建筑物或構件尺寸不同，分別取3s、5s和15s等。因此應用不同國家的設計資料時必須進行風速值的換算，換算系數見表2。

表2 B類地區不同風速時距換算

2.3 不同重現期風壓的換算

荷載重現期不同，最大風速的保證率不同，相應的最大風速值也不同。荷載重現期的取值直接影響到結構的安全度，對于風荷載比

較敏感的結構，重要性不同的結構，設計時有可能采用不同重現期的基本風壓，以調整結構的安全水準。不同重現期風壓間的換算系數可按表3取值。

表3 不同重現期與50年重現期的基本風壓換算系數

3 風荷載的計算與比較

現以筆者已設計完成項目為例，對中美兩國規范風荷載的計算進行分析比較。在蘇丹220kV輸電線路工程中，國外業主提供的原始資料：風速按美國標準(離地高度10m，3s陣風，50年重現期，地面粗糙度為C類)，基本風速為47m/s。中國現行《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》中規定220kV輸電線路的荷載取值標準為離地高度10m，10min平均最大風，30年重現期，地面粗糙度為B類。下面以自立式直線鐵塔SZ為例進行計算，塔高40m，風壓高度取離地20m處(鐵塔結構計算時風荷載是主要荷載)。

3.1 按美國規范進行風荷載計算

美國規范速度壓力qz計算：

(此處參照《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading》要求，按90度方向風吹，Kd取1.0)

美國規范設計風壓p計算：

3.2 按中國規范進行風荷載計算

根據中美風速的換算關系：

WK=βzμsμzW0μt= 1.35×1.3×1.25×0.625×33.82×0.93=1456.7(N/m2)(按30年重現期計算)

3.3 中美風荷載取值的比較

式中：D為恒荷載；W為風荷載；

從兩國的荷載組合式中可以看出：恒荷載的取值完全相同，風荷載設計值的取值有區別，美國規范直接取風載標準值，而中國規范取風載標準值×1.4系數。(對相同的擋風面積來說風壓比就是風載比)

中國規范風壓設計值為：1.4×W=1.4×1456.7=2039.4(N/m2)

美國規范風荷載與中國規范風荷載的比值：K=2650.7/2039.4=1.30

經過以上計算比較后可知，均按現行設計規范要求，對同一鐵塔結構，美國規范風荷載值是中國規范風荷載值的1.3倍，如果《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》中荷載重現期標準提高到50年，則美國規范風荷載值是中國規范風荷載值的1.21倍。按美國規范設計的鐵塔結構更加偏于安全。

4 結語

由于對基本風速的定義和測量取值方法的不同，從而導致了中國和美國規范基本風速值大小的差異，也導致了中國和美國風荷載取值的差異。通過上面的計算分析可知：在同一地區采用美國規范所計算所得的基本風壓值約為中國規范風壓值的2倍，但是通過荷載組合后美國規范風荷載值約為中國規范風荷載值的1.30倍。在進行國外項目設計時，應該搞清楚業主或咨詢機構提供的現場最大設計風速的具體含義，如基本風速為3s陣風風速，則采用中國標準設計軟件時，需轉換為10min平均最大風速，這樣的計算結果才會基本合理。

上述的計算比較僅僅是筆者針對輸電線路鐵塔結構進行的，風荷載的計算受多種因素的影響，如換為其它結構模型，則各項計算系數取值會有所不同，所以最終的計算結果也會有所差異，不同結構型式進行設計計算時需按實際情況進行認真分析，不能一概而論。本文也只是提出了比較理想情況下的風荷載計算比較，供各位設計同仁參考并歡迎提出批評指正。

[1]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[2]ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].

[3]張相庭.工程結構風荷載理論和抗風計算手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

[4]晉東南～南陽～荊門1000kV輸電線路工程桿塔荷載設計研究[R].北京：中國電力顧問集團公司專 題研究報告，2006.

[5]劉迪，李立昌.2010年版美國建(構)筑物荷載規范有關風荷載部分修改簡介[J].鋼結構，2011，(02).

[6]ASCE 74-2009，Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading[S].

[7]IEC 60826-2003，Design Criteria of Overhead Transmission Lines[S].

[8]GB 50545-2010，110kV～750kV架空輸電線路設計規范[S].