论文部分内容阅读
浙江外企德科人力资源服务有限公司 杭州 310011
摘要：整理了美国规范ASCE/SEI 7-10中风荷载的计算方法并用工程实例具体阐述了风荷载在工业特种钢结构上的应用。
关键词：基本风速；风向系数；地形系数；风压暴露系数；阵风影响系数；外部压力系数
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
近些年来，随着我国改革开放的不断扩大，涉外项目也越来越多，很多国家都会有自己的设计和施工规范，也有许多国家会直接使用美国规范或欧洲规范，所以在涉外项目上碰到的这两种规范会更多。而工业设备冷箱钢结构是空分行业中的一种包裹低温设备的特种钢结构，在全世界范围广泛使用，所以会更经常碰到美国规范和欧洲规范，本文主要是对美国规范ASCE 7-10中的风荷载在冷箱钢结构上的应用进行介绍，供同行参考。笔者曾看到有些资料上将国外规范中的风荷载和地震荷载等值转换成中国规范中的相应等级大小，然后就直接用中国规范的相应结构设计软件来计算，这种做法是欠妥的。每个规范都自成体系，相应荷载组合的分项系数、结构设计中的各种调整系数和材料设计强度的取值等都会有差异，所以每个规范中的荷载取值与本规范是配套使用的，否则结果会产生差异，故笔者不建议一种规范中的荷载取值通过转化后应用于其他的设计规范进行设计计算。
1 美国规范风荷载各参数的定义及计算公式
1.1 各参数的定义：
1.1.1 基本风速V：在暴露类别为C的离地面10米高度出的3秒阵风风速，见26.5.1。
1.1.2 风向系数Kd：只有当按ASCE/SEI 7-10（下同省略）2.3节和2.4节规定的荷载组合进行设
计时才能按风向系数来确定风荷载，见26.6节。
1.1.3 地形系数Kzt：考虑地形的风速增大效应，该效应影响的是平均风速而不是脉动风速，因
此Kzt应与风速高度变化系数一起使用，如果结构的场地条件和位置不能满足26.8.1节中的所
有条件，那么取Kzt=1.0，见26.8节。
1.1.4 风压暴露系数Kz和Kh：见表26.9-1和表27.3-1。（類似GB的风压高度变化系数）
For Zmin For Zmin>Z Kz=2.01（Zmin/Zg）2/α
1.1.5 阵风影响系数G：考虑了结构在湍流风作用下产生的顺风向荷载响应。同时也考虑了柔性
建筑物和其他结构顺风向的动力放大荷载响应。没有考虑横向风作用、漩涡脱落、由于驰振或颤
振引起的失稳以及动力扭矩响应。此系数和结构的基本固有频率有关，见26.9节。
1.1.6 外部压力系数Cp：见图27.4.1-图27.4.7。（类似GB的风荷载体型系数）
1.1.7 内部压力系数GCpi：该系数是从风洞试验和足尺寸试验数据中得到的，见26.11节和表26.11-1。
1.2 风荷载的计算公式：
高度z处的风压按下式计算：
qz=0.613KzKztKdV 2（N/m2，V的单位为m/s）（27.3-1）
qh为按式（27.3-1）计算的高度h处的风压。
27.3.2的条文说明指出，常数项0.613为标准大气下的空气质量密度，即当海平面气压为101.325kPa，温度为15℃时常数才为0.613，否则查表C27.3-2进行调整。
各种高度建筑主要抗风体系的设计风压按式（27.4-1）确定。风压应同时作用于迎风面、背风面和屋面上。
p= qGCp-qi（GCpi）（N/m2）（27.4-1）
式中 q——对于迎风面，按高度z处的qz计算；
q——对于背风面、山墙、屋面，按高度h处的qh计算。与GB 50009-2012有别。
冷箱虽然是个封闭建筑，但冷箱内被绝热材料珠光砂填满并充有压力为1KPa氮气，可以不考虑冷箱内部风负压的影响。
2 风荷载在冷箱钢结构上的应用方法
冷箱钢结构是一种高耸的特种钢结构，层高在3米左右，无楼板，由四周的桁架结构作为主要抗力体系，整个冷箱由钢板作为面板包裹，主氩冷箱总高一般在30米到80米之间不等，空分等级越高，冷箱高度也越高。 在计算风荷载前可先从冷箱钢结构的计算模型中得出基本固有频率，如果基本固有频率大于1Hz，就可直接取风阵影响系数G=0.85，否则应按26.9节进行计算。
基本风速V可根据26.5.1查得或由现场条件直接提供，然后按前述的风荷载计算公式（27.3-1）可算出冷箱各层高度处的基本风压qz，这里要注意的是背风面和侧风面的各层高度处的基本风压均取建筑顶面处的基本风压qh，中国规范是随层高变化而变化的，这个区别是比较大的。然后再根据表27.4-1可查得体型系数Cp，这样就可以得出冷箱各面的设计风压了。由于面板加劲肋的导荷作用，风荷载可以被传导到各层横梁上，再传到柱子，所以上就不用输风荷载了，但是建模时是建在柱子轴心上的，因此在荷载以线载形式输到横梁上时须考虑柱子宽度上的风荷载增大。
根据图27.4-8（见图27.4-8）可知要考虑4种形式的风作用，但不是4种工况，而是24种工况，CASE 1和CASE 3各4种工况，CASE 2和CASE 4各8种工况。
图27.4-8
3 工程实例
3.1 工程概况
因为大小冷箱的风荷载计算方法类似，所以本文选用一个较小空分的杆件集装箱式冷箱钢结构作为案例来进行说明。冷箱外框平面尺寸为4.4mX4.28m，高32.66m。冷箱4个侧面钢板厚为4mm，顶底面钢板厚为6mm，面板加劲肋为L70X7，间距不大于800mm，考虑到冷箱四周均为桁架结构，斜称均为轴向二力杆，不承受弯距，所以加劲肋不得与斜称相碰，这样结构的传力路径就很清晰。基本风速为55m/s，暴露类别为D类，不用考虑地形的风速增大效应，故取Kzt=1.0。
3.2 冷箱横梁上的线性风荷载的计算
由表26.6-1查得，风向系数Kd=0.9；
由计算模型可得结构的基本固有频率大于1Hz，故取阵风影响系数G=0.85；
由表27.4-1可查得体型系数Cp如下：
迎风面：0.8；背风面：-0.5；侧风面：-0.7；顶面：-1.3。
冷箱各层高横梁上的线性基本风荷载计算如下：
考虑柱子建模时以中心为距离，所以横梁长度就少了一个柱子的宽度，所以应该线性增大该荷载，见以下各表中绿色标注部分的各荷载大小。由于篇幅所限，本文均取各同类型风荷载工况中的一个风向的计算表格和加载模型。
CASE 1 风荷载计算表格见表CASE 1
CASE 2 风荷载计算表格见表CASE 2
CASE 3 风荷载计算表格见表CASE 3
CASE 4 风荷载计算表格见表CASE 4
CASE 1
CASE 2
CASE 3
CASE 4
CASE 1 有+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况，我们这里只给出+X方向的加载模型，见CASE 1加载图。
CASE 2 有八种风荷载工况，考虑结构在风荷载偏心作用下沿平面中心顺时针方向扭转时的+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况和沿平面中心逆时针方向扭转时的+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况，我们这里只给出沿平面中心顺时针方向扭转时的+X方向的加载模型，见CASE 2加载图。
CASE 3 有+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况，我们这里只给出+45°方向的加载模型，见CASE 3加载图。为减小风荷载输入的工作量，我们这里把0.75的折减系数放到荷载组合里，模型输入中不折减，數值大小与CASE 1相同。
CASE 4 也有八种风荷载工况，也考虑结构在风荷载偏心作用下沿平面中心顺时针方向扭转时的+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况和沿平面中心逆时针方向扭转时的+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况，我们这里只给出沿平面中心顺时针方向扭转时的+X方向的加载模型，见CASE 4加载图。为减小风荷载输入的工作量，我们这里把0.75的折减系数也放到荷载组合里，模型输入中不折减，数值大小与CASE 2相同。
CASE 1加载图 CASE 2加载图 CASE 3加载图 CASE 4加载图
4 结语
通过以上计算可知，美国荷载规范ASCE/SEI 7-10中风荷载计算公式中比ASCE/SEI 7-05少了结构重要性系数，即直接取重要性系数为1.0，因此即使两本规范中的基本风速V取值一样，用新老规范算出的结果也是不一样的，因此不可简单相互套用，更不能将美国规范的基本风速V通过时距转换后直接用于中国规范，因为中美荷载规范间的风荷载计算方法，风荷载的加载方式、很多系数和荷载组合都是不一样的。笔者曾作过比较，将美国规范的基本风速通过等价转换分别转换成中国规范、欧洲规范、印度规范、俄罗斯规范和加拿大规范中的基本风速后，应用相应的规范对同一冷箱钢结构进行结构计算，得出的结果各不相同，有的还相差较大。如果同行有冷箱特种钢结构需要用美国规范设计的，风荷载可以参照以上方法应用于此特种钢结构设计。
参考文献：
[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]《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
摘要：整理了美国规范ASCE/SEI 7-10中风荷载的计算方法并用工程实例具体阐述了风荷载在工业特种钢结构上的应用。
关键词：基本风速；风向系数；地形系数；风压暴露系数；阵风影响系数；外部压力系数
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
近些年来，随着我国改革开放的不断扩大，涉外项目也越来越多，很多国家都会有自己的设计和施工规范，也有许多国家会直接使用美国规范或欧洲规范，所以在涉外项目上碰到的这两种规范会更多。而工业设备冷箱钢结构是空分行业中的一种包裹低温设备的特种钢结构，在全世界范围广泛使用，所以会更经常碰到美国规范和欧洲规范，本文主要是对美国规范ASCE 7-10中的风荷载在冷箱钢结构上的应用进行介绍，供同行参考。笔者曾看到有些资料上将国外规范中的风荷载和地震荷载等值转换成中国规范中的相应等级大小，然后就直接用中国规范的相应结构设计软件来计算，这种做法是欠妥的。每个规范都自成体系，相应荷载组合的分项系数、结构设计中的各种调整系数和材料设计强度的取值等都会有差异，所以每个规范中的荷载取值与本规范是配套使用的，否则结果会产生差异，故笔者不建议一种规范中的荷载取值通过转化后应用于其他的设计规范进行设计计算。
1 美国规范风荷载各参数的定义及计算公式
1.1 各参数的定义：
1.1.1 基本风速V：在暴露类别为C的离地面10米高度出的3秒阵风风速，见26.5.1。
1.1.2 风向系数Kd：只有当按ASCE/SEI 7-10（下同省略）2.3节和2.4节规定的荷载组合进行设
计时才能按风向系数来确定风荷载，见26.6节。
1.1.3 地形系数Kzt：考虑地形的风速增大效应，该效应影响的是平均风速而不是脉动风速，因
此Kzt应与风速高度变化系数一起使用，如果结构的场地条件和位置不能满足26.8.1节中的所
有条件，那么取Kzt=1.0，见26.8节。
1.1.4 风压暴露系数Kz和Kh：见表26.9-1和表27.3-1。（類似GB的风压高度变化系数）
For Zmin
1.1.5 阵风影响系数G：考虑了结构在湍流风作用下产生的顺风向荷载响应。同时也考虑了柔性
建筑物和其他结构顺风向的动力放大荷载响应。没有考虑横向风作用、漩涡脱落、由于驰振或颤
振引起的失稳以及动力扭矩响应。此系数和结构的基本固有频率有关，见26.9节。
1.1.6 外部压力系数Cp：见图27.4.1-图27.4.7。（类似GB的风荷载体型系数）
1.1.7 内部压力系数GCpi：该系数是从风洞试验和足尺寸试验数据中得到的，见26.11节和表26.11-1。
1.2 风荷载的计算公式：
高度z处的风压按下式计算：
qz=0.613KzKztKdV 2（N/m2，V的单位为m/s）（27.3-1）
qh为按式（27.3-1）计算的高度h处的风压。
27.3.2的条文说明指出，常数项0.613为标准大气下的空气质量密度，即当海平面气压为101.325kPa，温度为15℃时常数才为0.613，否则查表C27.3-2进行调整。
各种高度建筑主要抗风体系的设计风压按式（27.4-1）确定。风压应同时作用于迎风面、背风面和屋面上。
p= qGCp-qi（GCpi）（N/m2）（27.4-1）
式中 q——对于迎风面，按高度z处的qz计算；
q——对于背风面、山墙、屋面，按高度h处的qh计算。与GB 50009-2012有别。
冷箱虽然是个封闭建筑，但冷箱内被绝热材料珠光砂填满并充有压力为1KPa氮气，可以不考虑冷箱内部风负压的影响。
2 风荷载在冷箱钢结构上的应用方法
冷箱钢结构是一种高耸的特种钢结构，层高在3米左右，无楼板，由四周的桁架结构作为主要抗力体系，整个冷箱由钢板作为面板包裹，主氩冷箱总高一般在30米到80米之间不等，空分等级越高，冷箱高度也越高。 在计算风荷载前可先从冷箱钢结构的计算模型中得出基本固有频率，如果基本固有频率大于1Hz，就可直接取风阵影响系数G=0.85，否则应按26.9节进行计算。
基本风速V可根据26.5.1查得或由现场条件直接提供，然后按前述的风荷载计算公式（27.3-1）可算出冷箱各层高度处的基本风压qz，这里要注意的是背风面和侧风面的各层高度处的基本风压均取建筑顶面处的基本风压qh，中国规范是随层高变化而变化的，这个区别是比较大的。然后再根据表27.4-1可查得体型系数Cp，这样就可以得出冷箱各面的设计风压了。由于面板加劲肋的导荷作用，风荷载可以被传导到各层横梁上，再传到柱子，所以上就不用输风荷载了，但是建模时是建在柱子轴心上的，因此在荷载以线载形式输到横梁上时须考虑柱子宽度上的风荷载增大。
根据图27.4-8（见图27.4-8）可知要考虑4种形式的风作用，但不是4种工况，而是24种工况，CASE 1和CASE 3各4种工况，CASE 2和CASE 4各8种工况。
图27.4-8
3 工程实例
3.1 工程概况
因为大小冷箱的风荷载计算方法类似，所以本文选用一个较小空分的杆件集装箱式冷箱钢结构作为案例来进行说明。冷箱外框平面尺寸为4.4mX4.28m，高32.66m。冷箱4个侧面钢板厚为4mm，顶底面钢板厚为6mm，面板加劲肋为L70X7，间距不大于800mm，考虑到冷箱四周均为桁架结构，斜称均为轴向二力杆，不承受弯距，所以加劲肋不得与斜称相碰，这样结构的传力路径就很清晰。基本风速为55m/s，暴露类别为D类，不用考虑地形的风速增大效应，故取Kzt=1.0。
3.2 冷箱横梁上的线性风荷载的计算
由表26.6-1查得，风向系数Kd=0.9；
由计算模型可得结构的基本固有频率大于1Hz，故取阵风影响系数G=0.85；
由表27.4-1可查得体型系数Cp如下：
迎风面：0.8；背风面：-0.5；侧风面：-0.7；顶面：-1.3。
冷箱各层高横梁上的线性基本风荷载计算如下：
考虑柱子建模时以中心为距离，所以横梁长度就少了一个柱子的宽度，所以应该线性增大该荷载，见以下各表中绿色标注部分的各荷载大小。由于篇幅所限，本文均取各同类型风荷载工况中的一个风向的计算表格和加载模型。
CASE 1 风荷载计算表格见表CASE 1
CASE 2 风荷载计算表格见表CASE 2
CASE 3 风荷载计算表格见表CASE 3
CASE 4 风荷载计算表格见表CASE 4
CASE 1
CASE 2
CASE 3
CASE 4
CASE 1 有+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况，我们这里只给出+X方向的加载模型，见CASE 1加载图。
CASE 2 有八种风荷载工况，考虑结构在风荷载偏心作用下沿平面中心顺时针方向扭转时的+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况和沿平面中心逆时针方向扭转时的+X、-X、+Z、-Z四种风荷载工况，我们这里只给出沿平面中心顺时针方向扭转时的+X方向的加载模型，见CASE 2加载图。
CASE 3 有+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况，我们这里只给出+45°方向的加载模型，见CASE 3加载图。为减小风荷载输入的工作量，我们这里把0.75的折减系数放到荷载组合里，模型输入中不折减，數值大小与CASE 1相同。
CASE 4 也有八种风荷载工况，也考虑结构在风荷载偏心作用下沿平面中心顺时针方向扭转时的+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况和沿平面中心逆时针方向扭转时的+45°、-45°、+135°、-135°四种风荷载工况，我们这里只给出沿平面中心顺时针方向扭转时的+X方向的加载模型，见CASE 4加载图。为减小风荷载输入的工作量，我们这里把0.75的折减系数也放到荷载组合里，模型输入中不折减，数值大小与CASE 2相同。
CASE 1加载图 CASE 2加载图 CASE 3加载图 CASE 4加载图
4 结语
通过以上计算可知，美国荷载规范ASCE/SEI 7-10中风荷载计算公式中比ASCE/SEI 7-05少了结构重要性系数，即直接取重要性系数为1.0，因此即使两本规范中的基本风速V取值一样，用新老规范算出的结果也是不一样的，因此不可简单相互套用，更不能将美国规范的基本风速V通过时距转换后直接用于中国规范，因为中美荷载规范间的风荷载计算方法，风荷载的加载方式、很多系数和荷载组合都是不一样的。笔者曾作过比较，将美国规范的基本风速通过等价转换分别转换成中国规范、欧洲规范、印度规范、俄罗斯规范和加拿大规范中的基本风速后，应用相应的规范对同一冷箱钢结构进行结构计算，得出的结果各不相同，有的还相差较大。如果同行有冷箱特种钢结构需要用美国规范设计的，风荷载可以参照以上方法应用于此特种钢结构设计。
参考文献：
[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]《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.