美國規范ASCE/SEI 7—10中風荷載在工業特種鋼結構上的應用

浙江外企德科人力資源服務有限公司 杭州 310011

摘要：整理了美國規范ASCE/SEI 7-10中風荷載的計算方法并用工程實例具體闡述了風荷載在工業特種鋼結構上的應用。

關鍵詞：基本風速；風向系數；地形系數；風壓暴露系數；陣風影響系數；外部壓力系數

Application of wind load about American code ASCE/SEI 7-10 on the industrial special

steel structure/Wu Zhengjun（FESCO Adecco Human Resources Service Zhejiang Co.，Ltd.，Hangzhou 310011，China）

Abstract：Studying the calculation method of wind load about American code ASCE/SEI 7-10 and expounding the application about the wind load on the industrial special

steel structure with the project instance.

Keywords：basic wind speed；wind directionality factor；Topography factor；Velocity pressure exposure coefficient；gust effect factor；External Presuure coefficient.

引言

近些年來，隨著我國改革開放的不斷擴大，涉外項目也越來越多，很多國家都會有自己的設計和施工規范，也有許多國家會直接使用美國規范或歐洲規范，所以在涉外項目上碰到的這兩種規范會更多。而工業設備冷箱鋼結構是空分行業中的一種包裹低溫設備的特種鋼結構，在全世界范圍廣泛使用，所以會更經常碰到美國規范和歐洲規范，本文主要是對美國規范ASCE 7-10中的風荷載在冷箱鋼結構上的應用進行介紹，供同行參考。筆者曾看到有些資料上將國外規范中的風荷載和地震荷載等值轉換成中國規范中的相應等級大小，然后就直接用中國規范的相應結構設計軟件來計算，這種做法是欠妥的。每個規范都自成體系，相應荷載組合的分項系數、結構設計中的各種調整系數和材料設計強度的取值等都會有差異，所以每個規范中的荷載取值與本規范是配套使用的，否則結果會產生差異，故筆者不建議一種規范中的荷載取值通過轉化后應用于其他的設計規范進行設計計算。

1 美國規范風荷載各參數的定義及計算公式

1.1 各參數的定義：

1.1.1 基本風速V：在暴露類別為C的離地面10米高度出的3秒陣風風速，見26.5.1。

1.1.2 風向系數Kd：只有當按ASCE/SEI 7-10（下同省略）2.3節和2.4節規定的荷載組合進行設

計時才能按風向系數來確定風荷載，見26.6節。

1.1.3 地形系數Kzt：考慮地形的風速增大效應，該效應影響的是平均風速而不是脈動風速，因

此Kzt應與風速高度變化系數一起使用，如果結構的場地條件和位置不能滿足26.8.1節中的所

有條件，那么取Kzt=1.0，見26.8節。

1.1.4 風壓暴露系數Kz和Kh：見表26.9-1和表27.3-1。（類似GB的風壓高度變化系數）

For Zmin

For Zmin>Z Kz=2.01（Zmin/Zg）2/α

1.1.5 陣風影響系數G：考慮了結構在湍流風作用下產生的順風向荷載響應。同時也考慮了柔性

建筑物和其他結構順風向的動力放大荷載響應。沒有考慮橫向風作用、漩渦脫落、由于馳振或顫

振引起的失穩以及動力扭矩響應。此系數和結構的基本固有頻率有關，見26.9節。

1.1.6 外部壓力系數Cp：見圖27.4.1-圖27.4.7。（類似GB的風荷載體型系數）

1.1.7 內部壓力系數GCpi：該系數是從風洞試驗和足尺寸試驗數據中得到的，見26.11節和表26.11-1。

1.2 風荷載的計算公式：

高度z處的風壓按下式計算：

qz=0.613KzKztKdV 2（N/m2，V的單位為m/s）（27.3-1）

qh為按式（27.3-1）計算的高度h處的風壓。

27.3.2的條文說明指出，常數項0.613為標準大氣下的空氣質量密度，即當海平面氣壓為101.325kPa，溫度為15℃時常數才為0.613，否則查表C27.3-2進行調整。

各種高度建筑主要抗風體系的設計風壓按式（27.4-1）確定。風壓應同時作用于迎風面、背風面和屋面上。

p= qGCp-qi（GCpi）（N/m2）（27.4-1）

式中 q——對于迎風面，按高度z處的qz計算；

q——對于背風面、山墻、屋面，按高度h處的qh計算。與GB 50009-2012有別。

冷箱雖然是個封閉建筑，但冷箱內被絕熱材料珠光砂填滿并充有壓力為1KPa氮氣，可以不考慮冷箱內部風負壓的影響。

2 風荷載在冷箱鋼結構上的應用方法

冷箱鋼結構是一種高聳的特種鋼結構，層高在3米左右，無樓板，由四周的桁架結構作為主要抗力體系，整個冷箱由鋼板作為面板包裹，主氬冷箱總高一般在30米到80米之間不等，空分等級越高，冷箱高度也越高。

在計算風荷載前可先從冷箱鋼結構的計算模型中得出基本固有頻率，如果基本固有頻率大于1Hz，就可直接取風陣影響系數G=0.85，否則應按26.9節進行計算。

基本風速V可根據26.5.1查得或由現場條件直接提供，然后按前述的風荷載計算公式（27.3-1）可算出冷箱各層高度處的基本風壓qz，這里要注意的是背風面和側風面的各層高度處的基本風壓均取建筑頂面處的基本風壓qh，中國規范是隨層高變化而變化的，這個區別是比較大的。然后再根據表27.4-1可查得體型系數Cp，這樣就可以得出冷箱各面的設計風壓了。由于面板加勁肋的導荷作用，風荷載可以被傳導到各層橫梁上，再傳到柱子，所以上就不用輸風荷載了，但是建模時是建在柱子軸心上的，因此在荷載以線載形式輸到橫梁上時須考慮柱子寬度上的風荷載增大。

根據圖27.4-8（見圖27.4-8）可知要考慮4種形式的風作用，但不是4種工況，而是24種工況，CASE 1和CASE 3各4種工況，CASE 2和CASE 4各8種工況。

圖27.4-8

3 工程實例

3.1 工程概況

因為大小冷箱的風荷載計算方法類似，所以本文選用一個較小空分的桿件集裝箱式冷箱鋼結構作為案例來進行說明。冷箱外框平面尺寸為4.4mX4.28m，高32.66m。冷箱4個側面鋼板厚為4mm，頂底面鋼板厚為6mm，面板加勁肋為L70X7，間距不大于800mm，考慮到冷箱四周均為桁架結構，斜稱均為軸向二力桿，不承受彎距，所以加勁肋不得與斜稱相碰，這樣結構的傳力路徑就很清晰。基本風速為55m/s，暴露類別為D類，不用考慮地形的風速增大效應，故取Kzt=1.0。

3.2 冷箱橫梁上的線性風荷載的計算

由表26.6-1查得，風向系數Kd=0.9；

由計算模型可得結構的基本固有頻率大于1Hz，故取陣風影響系數G=0.85；

由表27.4-1可查得體型系數Cp如下：

迎風面：0.8；背風面：-0.5；側風面：-0.7；頂面：-1.3。

冷箱各層高橫梁上的線性基本風荷載計算如下：

考慮柱子建模時以中心為距離，所以橫梁長度就少了一個柱子的寬度，所以應該線性增大該荷載，見以下各表中綠色標注部分的各荷載大小。由于篇幅所限，本文均取各同類型風荷載工況中的一個風向的計算表格和加載模型。

CASE 1 風荷載計算表格見表CASE 1

CASE 2 風荷載計算表格見表CASE 2

CASE 3 風荷載計算表格見表CASE 3

CASE 4 風荷載計算表格見表CASE 4

CASE 1

CASE 2

CASE 3

CASE 4

CASE 1 有+X、-X、+Z、-Z四種風荷載工況，我們這里只給出+X方向的加載模型，見CASE 1加載圖。

CASE 2 有八種風荷載工況，考慮結構在風荷載偏心作用下沿平面中心順時針方向扭轉時的+X、-X、+Z、-Z四種風荷載工況和沿平面中心逆時針方向扭轉時的+X、-X、+Z、-Z四種風荷載工況，我們這里只給出沿平面中心順時針方向扭轉時的+X方向的加載模型，見CASE 2加載圖。

CASE 3 有+45°、-45°、+135°、-135°四種風荷載工況，我們這里只給出+45°方向的加載模型，見CASE 3加載圖。為減小風荷載輸入的工作量，我們這里把0.75的折減系數放到荷載組合里，模型輸入中不折減，數值大小與CASE 1相同。

CASE 4 也有八種風荷載工況，也考慮結構在風荷載偏心作用下沿平面中心順時針方向扭轉時的+45°、-45°、+135°、-135°四種風荷載工況和沿平面中心逆時針方向扭轉時的+45°、-45°、+135°、-135°四種風荷載工況，我們這里只給出沿平面中心順時針方向扭轉時的+X方向的加載模型，見CASE 4加載圖。為減小風荷載輸入的工作量，我們這里把0.75的折減系數也放到荷載組合里，模型輸入中不折減，數值大小與CASE 2相同。

CASE 1加載圖 CASE 2加載圖 CASE 3加載圖 CASE 4加載圖

4 結語

通過以上計算可知，美國荷載規范ASCE/SEI 7-10中風荷載計算公式中比ASCE/SEI 7-05少了結構重要性系數，即直接取重要性系數為1.0，因此即使兩本規范中的基本風速V取值一樣，用新老規范算出的結果也是不一樣的，因此不可簡單相互套用，更不能將美國規范的基本風速V通過時距轉換后直接用于中國規范，因為中美荷載規范間的風荷載計算方法，風荷載的加載方式、很多系數和荷載組合都是不一樣的。筆者曾作過比較，將美國規范的基本風速通過等價轉換分別轉換成中國規范、歐洲規范、印度規范、俄羅斯規范和加拿大規范中的基本風速后，應用相應的規范對同一冷箱鋼結構進行結構計算，得出的結果各不相同，有的還相差較大。如果同行有冷箱特種鋼結構需要用美國規范設計的，風荷載可以參照以上方法應用于此特種鋼結構設計。

參考文獻：

[1]“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”（ASCE/SEI 7-10）[S]American Society of Civil Engineers，2010.

[2]“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”（ASCE/SEI 7-05）[S].American Society of Civil Engineers，2005.

[3]《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.