摘 要：根據(jù)TJ9-1974、GBJ9-87、GB50009-2001、GB50009-2012版本荷載規(guī)范，比較了各規(guī)范關(guān)于風(fēng)荷載計(jì)算計(jì)算的歷史變革。主要就GB50009-2012版本荷載規(guī)范的風(fēng)荷載修訂要點(diǎn)進(jìn)行說明，并對荷載規(guī)范中風(fēng)荷載部分修訂提出自己的看法。
關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；參數(shù)；基本風(fēng)壓
建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。1974年12月施行的工業(yè)于民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范是我國第一本自主編寫較為完整的荷載規(guī)范。之后又根據(jù)我國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況以及建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展、歷年荷載數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，不斷完善修訂建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范。以下就歷次版本之間關(guān)于風(fēng)荷載計(jì)算部分的差異進(jìn)行探討，著重介紹2012版荷載規(guī)范的新變化。
1 歷次版本風(fēng)荷載部分修改內(nèi)容
1.1 《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（TJ9-74）
TJ9-74是以1958年頒布的《荷載暫行規(guī)范》（規(guī)結(jié)1-58）為原本進(jìn)行修訂的。對于風(fēng)荷載計(jì)算部分，主要有以下幾點(diǎn)修正：
修改了風(fēng)荷載取值標(biāo)準(zhǔn)，并補(bǔ)充修正一些地區(qū)的取值。規(guī)結(jié)1-58中，風(fēng)壓是根據(jù)解放前和解放初期少量資料確定的。由于站點(diǎn)少、資料年限短，規(guī)定的數(shù)值可靠性較差，而且對內(nèi)地留有較大空白區(qū)。這次風(fēng)荷載修訂時，對全國除西藏、新疆以外的其他地區(qū)均進(jìn)行了風(fēng)載情況的大量調(diào)查。根據(jù)我國幾百個氣象臺站從1951年到1971年二十年來的最大風(fēng)速資料，進(jìn)行了重新統(tǒng)計(jì)，并參考了部分地區(qū)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，作了全面的修訂。對沿海地區(qū)的風(fēng)壓作了修正，對西北和西南地區(qū)的風(fēng)壓值作了補(bǔ)充。由于資料比以往較全、較準(zhǔn)，因此風(fēng)荷載取值較為符合實(shí)際，比舊規(guī)范前進(jìn)了一大步。
關(guān)于確定基本風(fēng)壓值的標(biāo)準(zhǔn)也有修改，新規(guī)范同舊規(guī)范相比有兩點(diǎn)變動：
�。�1）將基本高度由20 米改為10 米；
�。�2）將60 年一遇重現(xiàn)期、10分鐘平均最大風(fēng)壓改為30 年一遇。
改變基本高度的原因是：因?yàn)槿珖鴼庀笈_站風(fēng)速儀的高度一般為10 米左右，而一般房屋的高度又在10米或10米以下，因此將基本高度改為10米，使用較為方便，同時也與國際觀測標(biāo)準(zhǔn)相一致。
應(yīng)當(dāng)指出，由于風(fēng)速沿高度變化關(guān)系在新舊規(guī)范之間出入不大，所以基本高度由20 米改為10 米后，只意味著“ 全國基本風(fēng)壓分布圖”上的基本風(fēng)壓以降低20 % 的形式作為標(biāo)準(zhǔn)來表達(dá)，但對基本風(fēng)壓值本身并無任何改變。
規(guī)結(jié)1-58中風(fēng)載體型系數(shù)的取值僅有22種，TJ9-74根據(jù)實(shí)際需要和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，參考國內(nèi)外資料等，將風(fēng)載體型系數(shù)增加到39種。
規(guī)結(jié)1-58對于風(fēng)振作用，僅根據(jù)阻尼不同規(guī)定了籠統(tǒng)的單一風(fēng)振系數(shù)。由于沒有根據(jù)不同重要程度、不同動力特性的高聳構(gòu)筑物加以區(qū)別對待，故不甚合理。對此，這次修訂規(guī)范時，總結(jié)了國內(nèi)有關(guān)單位的實(shí)測數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考了國內(nèi)外資料，通過系統(tǒng)對比計(jì)算，按照構(gòu)筑物的自振周期和結(jié)構(gòu)類型，在新規(guī)范中分別確定了各自的風(fēng)振系數(shù)，其值按自振周期從0.25秒至5秒，對鋼筋混凝土和磚結(jié)構(gòu)為1.25～1.60，對鋼結(jié)構(gòu)為1.25～1.75，從而比舊規(guī)范有了改進(jìn)。
1.2 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBJ8-87）
相對于《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》TJ9-74版規(guī)范而言，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GBJ8-87規(guī)范在風(fēng)荷載計(jì)算部分修訂了全國的基本風(fēng)壓取值，修改了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振計(jì)算方法。
1.3 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）
與之前版本相比，在本規(guī)范之后，荷載組合規(guī)則擯棄“遇風(fēng)組合”的概念（具體的在此不做詳細(xì)介紹）。根據(jù)新的觀測資料重新對全國各氣象臺統(tǒng)計(jì)了風(fēng)壓，并將風(fēng)荷載的基本值的重現(xiàn)期由30年一遇改為50年一遇；地面粗糙度增加一種類別；對山區(qū)建筑的風(fēng)壓高度變化系數(shù)給出考慮地形條件的修正系數(shù)；對維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的風(fēng)荷載給出專門規(guī)定；提出對建筑群體要考慮建筑物相互干擾的影響；對柔性結(jié)構(gòu)增加橫風(fēng)向風(fēng)振的驗(yàn)算要求。
1.4 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）2006版
本版本是對GB50009-2001的局部修正。
對于計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)時，風(fēng)壓體型系數(shù)改為局部風(fēng)壓體型系數(shù)；修改了考慮順風(fēng)向風(fēng)振的適用條件：對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。
對于陣風(fēng)系數(shù)，非直接承受風(fēng)壓的屋面、墻面構(gòu)件取值1.0。對于橫風(fēng)向風(fēng)振，也作了一定的修改。
1.5 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）
在風(fēng)荷載計(jì)算部分，主要調(diào)整了風(fēng)荷載高度變化系數(shù)和山峰地形修正系數(shù)；補(bǔ)充完善了風(fēng)荷載體型系數(shù)和局部體型系數(shù)，補(bǔ)充了高層建筑群干擾效應(yīng)系數(shù)的取值范圍，增加對風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備和方法要求的規(guī)定；修改了順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式和計(jì)算參數(shù)。增加大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振計(jì)算的原則規(guī)定；增加了橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載計(jì)算的規(guī)定，增加了順風(fēng)向風(fēng)荷載、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載組合工況的規(guī)定；修改了陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算公式與表格。
根據(jù)新的觀測資料，重新統(tǒng)計(jì)全國各氣象臺站的風(fēng)壓，調(diào)整了部分城市的基本風(fēng)壓值，繪制了新的全國基本風(fēng)壓圖。
增加附錄“高層建筑順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振速度加速度計(jì)算”。
不難看出，每一次修訂的版本都會根據(jù)新的觀測結(jié)果對前一版本進(jìn)行修正，按照生產(chǎn)實(shí)際的變化，荷載規(guī)范也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。
2 參考風(fēng)速和基本風(fēng)壓的歷史變遷
垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算：
ωk=βzμsμzω0
式中，ωk――風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；
ω0――基本風(fēng)壓，kN/m2； βz――z高度處的風(fēng)振系數(shù)；
μs――風(fēng)荷載體型系數(shù)；
μz――風(fēng)壓高度變化系數(shù)；
各規(guī)范中，上式基本沒有變化，主要修改點(diǎn)在于基本風(fēng)壓取值、風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)荷載高度變化系數(shù)的變化。
TJ9-74中對于以上幾個系數(shù)都有一定的修改，前文已經(jīng)說明，這里就不再贅述。主要介紹TJ9-74規(guī)范以后版本的變化。
基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高統(tǒng)計(jì)所得的30年一遇10min平均最大風(fēng)速v0（m/s）為標(biāo)準(zhǔn)，按ω0=確定的風(fēng)壓值。
基本風(fēng)壓的計(jì)算方式，沒有變化，只是在GB50009-2001規(guī)范開始，風(fēng)荷載的基本值的重現(xiàn)期由30年一遇改為50年一遇。
基本風(fēng)壓的取值主要是通過歷年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果修正的，隨著統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不斷更新，基本風(fēng)壓的取值也不斷完善，調(diào)整的內(nèi)容也越來越少。
3 《建結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）的修訂解讀
GB50009-2012版本規(guī)范在修訂過程中，風(fēng)荷載計(jì)算部分主要補(bǔ)充風(fēng)基本氣象數(shù)據(jù)，從風(fēng)剖面、體型系數(shù)以及風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算等方面，全方位統(tǒng)籌考慮風(fēng)荷載修訂，補(bǔ)充高層、大跨抗風(fēng)研究新成果。
3.1 荷載規(guī)范現(xiàn)狀與修訂原則
我國風(fēng)荷載取值水平，低矮建筑與國外基本接近，高層建筑偏��；根據(jù)工程建設(shè)情況，對于400m以上超高層建筑，規(guī)范計(jì)算風(fēng)荷載并不小，國外咨詢公司提供的風(fēng)荷載值有時還會小于規(guī)范。
修訂原則主要從風(fēng)剖面、體型系數(shù)、風(fēng)振多因素統(tǒng)籌考慮，綜合調(diào)整；整體風(fēng)荷載小幅提高，超高層建筑略有減小。
3.2 基本風(fēng)壓
補(bǔ)充了600多個基本臺站1995-2008年極值風(fēng)速數(shù)據(jù)，重新統(tǒng)計(jì)基本風(fēng)速，繪制了新的基本風(fēng)壓圖。數(shù)據(jù)顯示，少量城市的基本風(fēng)壓有增加，大部分保持不變，統(tǒng)計(jì)結(jié)果普遍偏小。
圖1 新修訂的全國基本風(fēng)壓圖
3.3 平均風(fēng)剖面和脈動風(fēng)剖面
和舊規(guī)范相比，風(fēng)速剖面（風(fēng)壓高度變化系數(shù)）作了一些調(diào)整：如圖2所示。
地面粗糙度類別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
舊規(guī)范 zG（m） 300 350 400 450
指數(shù)a 0.12 0.16 0.22 0.30
新規(guī)范 zG（m） 300 350 450 550
指數(shù)a 0.12 0.15 0.22 0.30
調(diào)整后，梯度風(fēng)高度的變化的高度變化系數(shù)由3.21降低為2.91，下降幅度約為7%；C類和D類由于梯度風(fēng)高度提高，下降幅度更大。
在陣風(fēng)系數(shù)取值中，A類與B類和原規(guī)范大致相當(dāng)，C類和D類有不同程度的提高。
極值風(fēng)速壓與原規(guī)范相比約降低了5%到10%，幕墻以外的維護(hù)結(jié)構(gòu)考慮陣風(fēng)系數(shù)后，風(fēng)荷載值有所提高。
3.4 體型系數(shù)和局部體型系數(shù)
在屋面體型系數(shù)中增加絕對值不小于0.1的注解，以保證有一定下壓風(fēng)壓。
當(dāng)D/B≤1時，高層建筑風(fēng)力系數(shù)由1.3增加到1.4。由于建筑尺度和區(qū)域的差異，對局部體型系數(shù)進(jìn)行了修改。計(jì)算非直接承受風(fēng)荷載的圍護(hù)構(gòu)件的風(fēng)荷載時，局部體型系數(shù)根據(jù)構(gòu)件的從屬面積按規(guī)定進(jìn)行折減。增加了有關(guān)內(nèi)部壓力系數(shù)的規(guī)定。
對于維護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的修訂，使得直接承受脈動風(fēng)荷載的圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的風(fēng)荷載有所提高，屋面結(jié)構(gòu)提高尤為明顯。而非直接承受脈動風(fēng)荷載的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算的風(fēng)荷載基本保持不變。
3.5 風(fēng)振響應(yīng)與等效風(fēng)荷載計(jì)算
在風(fēng)振系數(shù)表達(dá)式中，脈動增大系數(shù)在原規(guī)范（前蘇聯(lián)東歐）為：
新規(guī)范表達(dá)式為
對于橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振與等效風(fēng)荷載。高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振主要由橫風(fēng)向脈動、漩渦脫落和結(jié)構(gòu)的氣動反饋引起，其效應(yīng)對超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)不可忽略，某些超高層建筑甚至起控制作用。對此，新規(guī)范中，基于隨機(jī)振動方法和大量的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于矩形截面橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。
特別的，對于結(jié)構(gòu)振型系數(shù)、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的等效風(fēng)荷載、以及高層建筑順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振加速度計(jì)算，在本規(guī)范中以附錄的形式進(jìn)行了進(jìn)一步的說明。
4 結(jié)語
建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的制定在滿足結(jié)構(gòu)需求的基礎(chǔ)上還要考慮社會經(jīng)濟(jì)因素的影響，風(fēng)荷載計(jì)算規(guī)范的制定更是如此。
建國初期，由于記錄數(shù)據(jù)的缺失以及技術(shù)水平的不足，荷載規(guī)范的設(shè)計(jì)更多的偏于經(jīng)驗(yàn)而沒有科學(xué)的計(jì)算依據(jù)。后期的規(guī)范根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論和可靠度理論進(jìn)行的設(shè)計(jì)滿足了當(dāng)時的建設(shè)需要，但對于建筑設(shè)計(jì)中所遇到的新問題，需要不斷的修正改進(jìn)，因而才會有不斷修改的規(guī)范。
對于風(fēng)荷載而言，需要根據(jù)不斷增加的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及氣候的變化進(jìn)行相應(yīng)的修正。同時，對于高層、超高層結(jié)構(gòu)所遇到的風(fēng)荷載問題需要不斷的修正規(guī)范以滿足要求。
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