粵港荷載規范關于風荷載計算的對比研究

陳學偉， 辛展文， 楊 易， 林 哲

(1 WSP科進香港有限公司， 香港 999077; 2 拉瓦爾大學土木與水工程系， 魁北克市 G1V 0A6； 3 華南理工大學土木與交通學院， 廣州 510640)

0 引言

風荷載是建筑結構設計中需要考慮的一項重要內容，對沿海超高層建筑尤其重要。高層建筑抗風設計方法有規范設計、風洞試驗、數值風洞模擬仿真，其中規范是基準。目前，廣東省參照國家標準《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[1]編制了廣東省標準《建筑結構荷載規范》(DBJ 15—101—2014)[2](簡稱廣東規范)，另外有部分抗風細節體現在《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[3]中。香港地區按照2019年新修訂的CodeofpracticeonwindeffectsinHongKong2019[4](簡稱香港規范)實行。

根據ExplanatorynotestothecodeofpracticeonwindeffectsinHongKong2019[5](香港風荷載規范注釋)，2019年版香港規范與2004年版香港規范[6]相比，與國際規范更加接近，特別參考了澳大利亞/新西蘭規范 AS/NZS 1170.2、美國規范 ASCE 7-16和歐洲規范 BS EN 1991-1-4。

近年來，有關學者針對各國荷載規范中風荷載的計算進行了一系列的對比研究：朱凡等[7]比較了2004年版香港規范[6]與中國大陸《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)；劉剛[8]對中美規范中風荷載的計算分析進行了比較；趙楊等[9]從“陣風荷載因子”的角度對中美日加澳五國的荷載規范進行了系統性研究；夏瑞光[10]從平均風荷載和脈動風荷載的角度對比了中澳歐三個國家與地區的荷載規范；申躍奎等[11]對中美英三國荷載規范中風荷載的重要參數進行了比較。

對比廣東規范與香港規范中有關風荷載的計算，可為結構抗風設計和相關研究者提供參考，有利于了解廣東省、香港地區甚至其他國家與地區的荷載規范中有關風荷載計算的差異，對粵港兩地的工程項目尤其重要。

1 粵港荷載規范對比

廣東規范與香港規范對建筑主體結構的風荷載計算不盡相同。本節總結了兩套規范風荷載計算參數與計算公式的差異性，從這兩方面進行對比分析。

1.1 計算公式

廣東規范與香港規范的基本計算公式對比見表1。兩套規范順風向風荷載的計算形式相似，但值得注意的是，廣東規范只需要計算兩個方向(X，Y向，圖1(a))的風荷載，而香港規范需要驗算四個方向(±X1，±X2向，圖1(b))風荷載，并且香港規范可以計算任意風向角下的風荷載，適用于更復雜的風環境。

圖1 風荷載計算方向示意圖

粵港荷載規范基本計算公式 表1

在橫風向風荷載計算上，廣東規范通過各樓層風荷載和基底總剪力來衡量風作用，香港規范則通過基底彎矩來衡量。

在計算得到橫風向基底彎矩后，香港規范需要根據橫風向基底彎矩對順風向風荷載進行修正，從而與橫風向基底彎矩相匹配，修正后的順風向風荷載將會增大，結果更為保守。廣東規范不需要修正順風向風荷載。

在計算扭轉風荷載時，香港規范采用一個更簡單的計算模型，將順風向風荷載作用點偏移一個水平距離e，扭轉風荷載等于該偏移距離乘以順風向風荷載，然后取四個方向下扭轉風荷載的較大值。相比之下，廣東規范扭轉風荷載的計算方法較為復雜，涉及更多參數。

廣東規范對順風向與橫風向的風振加速度分別規定了不同的計算公式，香港規范使用一個公式計算風振加速度。

1.2 基本參數

廣東規范與香港規范的計算參數在取值規定與測量方法上各有差異。部分計算參數命名有區別，但意義相同，比如廣東規范中的基本風壓和香港規范中的參考風壓，計算參數對比見表2。

粵港荷載規范基本計算參數對比 表2

2 工程實例計算

2.1 風荷載計算程序編寫

為了計算與比較適用粵港兩地不同荷載規范體系下的風荷載計算結果，使用面向對象的程序語言Delphi編制風荷載計算程序[12-13]。該計算程序具有檢驗規范適用條件、進行風荷載分析、生成風荷載計算簡圖及導出計算結果到Excel等功能。程序界面如圖2所示。

圖2 風荷載計算程序運行界面

計算程序可以在不建模的情況下，通過讀取建筑尺寸、結構動力特性、風氣候特征等參數信息，計算出建筑結構的順風向風荷載、橫風向風荷載、扭轉風荷載與風振加速度。風荷載計算程序結果輸出界面見圖3。

圖3 風荷載計算軟件結果輸出示意圖

2.2 程序計算結果準確性檢驗

利用編寫得到的計算程序，對某地上67層的超高層建筑進行風荷載計算。該超高層建筑結構總高度295.1m，建筑長度46.9m，寬度46.9m，建筑平面體型為方形，結構總質量為131 220t，順風向基本自振周期為6.786s，橫風向基本自振周期為6.3s，阻尼比取0.05，舒適度阻尼比為0.02。

廣東規范與香港規范對部分風荷載計算參數的取值與規定不盡相同，這些參數包括基本風壓和地面粗糙度。在本算例中，根據廣東規范進行計算時，基本風壓取0.75kN/m2，地面粗糙度為B類地貌。根據香港規范進行計算時，參考風壓按表3[4]采用，該參數在香港規范風荷載分析中所起的作用，相當于廣東規范中基本風壓與風壓高度變化系數的乘積，此參數在兩套規范中的取值對比可見3.5節。

參考風壓 Qoz[4] 表3

香港規范在香港全地區采取統一的地面粗糙度，對周邊地形與周圍建筑群的考慮體現在地形因子和折減高度兩個參數上，在本算例中，對應廣東規范中對B類地貌的定義(田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮)，折減高度可取0，地形因子取1。建筑結構整體模型如圖4所示。

圖4 工程實例分析模型

使用PKPM對基于廣東規范自編的風荷載計算程序的電算結果進行檢驗[14]，對比結果顯示PKPM與自編軟件計算得到的順風向基底總剪力相差1.86%，橫風向基底總剪力只相差0.34%。各層風荷載計算結果對比見圖5。

圖5 自編程序與PKPM風荷載計算結果對比

兩個軟件風荷載計算結果在層高變化的樓層有差別，PKPM比自編程序計算結果稍大，其中首層和頂層的計算結果誤差最大，其余結果接近。差異出現的原因可能是PKPM軟件在計算風荷載時，考慮了其他效應的影響，這個效應與層高的變化和邊界條件的改變有關。

基于香港規范自編的風荷載計算軟件的準確性，通過手算屋面層的順風向風荷載、橫風向基底彎矩、扭矩、風振加速度進行校核，最后得到的計算結果和程序運行結果相吻合，見表4。

屋面層風荷載計算結果對比 表4

3 計算結果對比分析

3.1 順風向風荷載結果對比

兩套規范的順風向風荷載計算結果對比見圖6，香港規范中規定的+X1，+X2向相當于廣東規范中的X，Y向。

圖6 粵港荷載規范順風向風荷載對比

從計算結果對比分析可得：1)兩套規范計算得到的順風向風荷載沿層高變化趨勢一致，但在層高變化的樓層，香港規范的風荷載變化比廣東規范顯著；2)廣東規范計算得到的X向順風向風荷載作用下的基底總剪力比香港規范小64.98%，Y向順風向風荷載作用下的基底總剪力比香港規范小61.64%；3)X向順風向風荷載偏差比Y向的大。

3.2 橫風向風荷載結果對比

在分析建筑結構的橫風向風荷載時，廣東規范給出了各樓層橫風向風力的計算公式，利用該公式，可計算得橫風向基底剪力、橫風向基底彎矩。然而，香港規范只給出了橫風向基底彎矩的計算公式。要對比分析兩套規范的橫風向風荷載效應，需要先根據廣東規范計算出各樓層橫風向風力，在此基礎上算得橫風向基底彎矩，再與根據香港規范算得的橫風向基底彎矩進行對比。

根據廣東規范計算而得的各層橫風向風荷載如圖7所示。

圖7 廣東規范橫風向風荷載計算結果

通過各樓層的橫風向風荷載，計算得廣東規范下X，Y向橫風向基底彎矩分別為8.8×106，1.07×107kN·m。根據香港規范公式計算的橫風向基底彎矩X，Y向分別為1.20×107，1.34×107kN·m。廣東規范橫風向基底彎矩與香港規范相比，X向減小25.94%，Y向減小20.13%。

由此可知：1)兩套規范衡量橫風向風效應的計算參數和公式不同，廣東規范給出計算各層橫風向風荷載的公式，香港規范給出橫風向基底彎矩的公式；2)廣東規范計算得到的橫風向基底彎矩比香港規范小，在本算例中X，Y向分別減小25.94%和20.13%；3)從本算例可知兩套規范下X向的橫風向基底彎矩偏差比Y向大。

3.3 扭轉風荷載結果對比

香港規范在計算扭轉風荷載時，取四個方向上計算得到的扭轉風荷載的較大值；廣東規范采用一個公式進行計算。根據兩套規范計算的扭轉風荷載結果如圖8所示。

圖8 粵港荷載規范扭轉風荷載對比

在8層以下，香港規范計算得到的扭轉風荷載比廣東規范大；在8層及以上，香港規范扭轉風荷載的計算結果比廣東規范小，兩者之間的偏差隨著層高的增加而增大，最大偏差出現在頂層，香港規范下的扭轉風荷載比廣東規范小48.54%?？梢娫诘蜆菍酉愀垡幏犊紤]的扭轉風荷載比廣東規范大，而在高樓層廣東規范下的扭轉風荷載更大。

3.4 風振加速度計算結果對比

在本算例中，根據廣東規范計算風振加速度時，10年重現期風壓取0.45kN/m2，計算得風振加速度為0.119m/s2(順風向)和0.337m/s2(橫風向)。根據香港規范，回歸周期取10年，計算得風振加速度為0.319m/s2，對應的方向為橫風向，該值與廣東規范計算得到的橫風向風振加速度(0.337m/s2)接近，兩套規范的風振加速度計算結果相似。

3.5 不同高度處參考風壓對比

為了進一步了解風荷載計算結果的差異由來，本文對計算過程中涉及的參數、不同高度處的風壓值進行計算分析。根據香港規范，全香港地區采取統一的地面粗糙度。廣東規范部分取沿海城市深圳所采用的基本風壓0.90kN/m2進行對比，對應回歸周期100年。這一基本風壓比廣東省其他大部分城市的基本風壓大。計算結果對比見圖9。

圖9 粵港荷載規范采用風壓值對比

由圖9可見：1)兩套規范采用的風壓值沿層高變化趨勢大致相同；2)廣東規范所采用的基本風壓值比香港規范的小；3)廣東規范中沿海地區A類地面粗糙度下的風壓值與香港地區采用的風壓值最接近。

香港規范下的順風向風荷載和風壓值均比廣東規范大，由此可見兩套規范下順風向風荷載的其中一部分差異是由風壓值的不同引起的，風壓值的取值差別來自于測量方法的差異(表2)。

4 結論

風荷載是建筑結構抗風設計的重要基準，涉及建筑結構的安全和經濟。本文在深入研究和詳細對比粵港荷載規范基礎上，依據規范中的風荷載計算模型，使用面向對象的程序語言Delphi成功編制了兩款風荷載計算程序。通過對一棟超高層建筑

工程實例的風荷載分析，驗證了風荷載計算程序的準確性，計算精度達到商用軟件PKPM標準，對比了兩套規范下順風向風荷載、橫風向風荷載、扭轉風荷載、風振加速度和不同高度處參考風壓的計算結果。通過規范對比和工程算例發現，粵港兩地荷載規范的計算模型、基本參數、計算公式存在差異，由此導致粵港鄰近地區的建筑，即使建筑體型和結構動力特性相似，但風荷載取值存在顯著差異。