摘 要

在中美日三国风荷载规范中，计算表达式中各类参数概念与取值和总体计算思路具有较大类似性。中美日三国荷载规范皆是先确定目标结构当地的基本风压或基本风速，同时得到结构的相关体型系数，再考虑其结构的梯度风压变化、以及由风速自身脉动性所引起的脉动效应系数，其中在掺以各类其他相关重要参数。但是显然，中美日三国风荷载规范对这些参数的取值方法原则和表达式的计算思想仍然存在一定程度上的差异，因此，我们有必要深入内在的分析各类参数取值原理，对比表达式的计算思路，寻找三国橫风向风荷载表达式的内部关联与相似性。

关键词： 橫风向 高层建筑 基本风速 体型系数 脉动效应系数 风振响应

Although the day calculate high-rise building horizontal wind wind load standard values of expression have obvious difference,three special load in the specification, the concept and expression of all kinds of parameter values and overall ideas still have larger similarity calculation. The load code for the design of the three are all a hotchpotch of China, America and Japan first determine the target structure of local basic wind pressure or basic wind speed, at the same time get the shape coefficient of the structure, and considering the structure change of gradient wind pressure, as well as by the wind speed ripple effect caused by its own pulsation coefficient, with all kinds of other important parameters in the mixed among them. Three huai, obviously, but the day load code for the values of these parameters method principle and the expression of ideological differences still exist to a certain extent, therefore, it is necessary to in-depth analysis of all kinds of parameter selection principle of inner, contrast expression method, look for the three horizontal direction of the internal relationships of wind load expression and similarity.

目录

摘要 4

1绪论 4

1.1概述 4

1.2风与高层建筑 5

1.2.1风的产生 5

1.2.2结构风荷载 5

1.3本文主要研究内容 6

1.4本文研究的目的与意义 6

2风荷载取值基本原则 6

3基本参数 7

3.1平均时距 7

3.2基本风速与基本风压 7

3.3场地类别及相关参数 8

中美日三国规范场地类别划分及相关重要参数 10

3.4体型系数 10

3.5湍流度 11

3.6脉动效应系数 12

4等效橫风向风荷载标准值与风致响应 13

4.1脉动效应系数取值对比 13

4.2风荷载标准值和风致响应对比 13

5实例分析 14

5.1研究对象—广州昊和大楼 14

5.2 结构风振分析基本信息计算基本信息 14

中美日三国风荷载规范高层橫风向风荷载标准值计算方法 15

中美日三国规范等效风荷载标准值随高度变化图 16

中美日三国规范等效风荷载随高度变化图 16

6.0结论 17

1绪论

1.1概述

随着现代社会的发展，人类各类资源用地开始逐渐紧张。而由于现代高层建筑施工技术的跨越性的进步，全球鳞次栉比的高层建筑如雨后春笋般不断地在全球各地涌现。例如中国的上海中心大厦，香港中信广场，美国的纽约世界贸易中心，西尔斯大厦，日本的阿倍也HARUKAS大楼等，皆是世界著名的高层建筑。由于高层建筑的特殊性与安全必要性，在关于高层建筑的设计中，各国荷载规范对风荷载的取值有详细要求。然而，由于地域与国家的差异，各国对高层建筑制定的相关风荷载规范有较大差异。但是，即使各国风荷载中的重要参数如体型系数，风压高度系数，脉动效应系数取值原则与方法存在诸多不同，然而这些看似不同的相关系数是否有内在类似性与联系性呢？因此，我们将在此文中就中美日高层建筑橫风向荷载取值进行一些对比性研究。

1.2风与高层建筑

1.2.1风的产生

风是由不同流层的空气相对地面的进行而运动产生的。造成空气运动的主要因素是大气不同高度间存在着的压力差。由于太阳辐射到地球极点和赤道的能量存在着差异，再加上地球表面各处物理性质也有所不同，从而使大气产生温度差和气压差。通常将单位体积上空气微团所承受的净压力值称为气压梯度力。在可忽略地面摩擦的某一高度上，等压线是直线，且风向，风速主要由气压梯度力与科里奥利力决定的风称为地转风；而当等压线是曲线，并且空气除了受气压梯度力以及里奥利力之外，还与地球惯性离心力有关的风，我们将其称为称为梯度风。

1.2.2结构风荷载

我们通常将自然界的风分为平均风和脉动风两种，当通过风荷载作用在高层建筑上的区别来划分时，也可将其分类为平均风荷载及脉动风荷载。同时，由于空气流本身具有一定的粘性和惯性，当风流过建筑结构时，将在建筑高层结构上产生气动力，随之产生涡流、尾流等，这便是气流的 流固相互作用效应。按照风荷载在建筑结构上产生气动力的方向，可以将风荷载其分为三种，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭力矩荷载等。
（1）顺风向风荷载
顺风向风荷载与风的来流方向相同，对应于风直接作用于结构表面的抖振力，是各国高层建筑结构设计必须且重点考虑计算的作用力。顺风向风荷载的平均部分可以作为静力来考虑，对该结构自身进行静力计算即可得到，而结构所受脉动风荷载则属于动力，与结构本身的动力特性有关，需要对该结构自身进行相应的动力学分析才能获得。人们对顺风向风荷载的研究已经比较深入，基于准定常理论建立的顺风向风振分析方法已经被人们所接收，阵风荷载因子法也已经被各国规范所采纳，并广泛应用于实际工程中。

（2）横风向风荷载
通常认为，结构所受横风向风荷载主要由三部分组成，一部分是由于结构旋涡尾流脱落，二是来流的湍流度，三则产生自结构的运动自激力。通过研究发现，结构在横风向的荷载作用相当复杂，其标准值大小与结构，截面形状以及风的湍流特性有关。对于绝大部分高度超过 300m 的超高层建筑来说，由于旋涡脱落引起的横向风作用往往大于顺风向风作用。因此，我们设计超高层建筑时需计算横风向风荷载起控制作用。但至今为止，高层横风向荷载的通用模型，尤其是解析模型，扔在探索阶段。因此，高层建筑的横风向风荷载目前主要仍是通过风洞试验来确定。

（3）扭转风荷载
扭转风荷载主要是由于结构质量中心与风荷载瞬时作用点不重合引起的，其产生机制与横风向荷载基本相同，主要是由风的湍流以及旋涡脱落共同作用产生的。扭矩的大小与风力本身的不对称性以及建筑物质量和刚度分布的不均匀性都有关系。目前扭转风荷载的分析方法尚比较粗糙，还没有给出公认的扭转风荷载计算模型。

1.3本文主要研究内容

在中美日三国风荷载规范中，计算表达式中各类参数概念与取值和总体计算思路具有较大类似性。中美日三国荷载规范皆是先确定目标结构当地的基本风压或基本风速，同时得到结构的相关体型系数，再考虑其结构的梯度风压变化、以及由风速自身脉动性所引起的脉动效应系数，其中在掺以各类其他相关重要参数。但是显然，中美日三国风荷载规范对这些参数的取值方法原则和表达式的计算思想仍然存在一定程度上的差异，因此，我们有必要深入内在的分析各类参数取值原理，对比表达式的计算思路，寻找三国橫风向风荷载表达式的内部关联与相似性。

1.4本文研究的目的与意义

中美日三国规范对高层建筑横风向荷载及其风振响应的评估方法均有各自的规定，这些计算方法间存在着一些差异。本文将对各国规范确定高层建筑横风向荷载及风致响应时所需关键参数和计算方法进行系统的对比性研究，以广州昊和大楼为例，系统地分析三国用于高结构设计的横风向荷载规范的区别，并讨论各自规范的适用性。

2风荷载取值基本原则

在大气层中，自然风本本身便具有脉动性，当其遇到高层建筑时，就会对高层建筑结构会产生相应的动力作用，并且该动力作用的幅值将随随高层结构体表的位置变化而改变。为保证在高层建筑结构设计中的方便简洁，同时保证设计方案必要的安全性，中美日三国规范采用了等效静力风荷载来规范描述风的这一随机动力作用，也即风荷载标准值来表达。此时地形的修正系数暂不进行比较。

我们可以较为明显的发现，中美日三国风荷载规范对高层建筑橫风向风荷载标准值的计算公式有明显差异，但是，表达式中各类参数概念与取值和总体计算思路仍具有较大类似性。三国荷载规范皆是先确定各国计算相应的基本风速，同时获取结构的相关体型系数。再结合，结构高度方向上的梯度风压变化系数、以及由风自身脉动性而影响高层建筑结构的脉动效应系数，其中在掺以各类其他相关重要参数。但是显然，中美日三国风荷载规范对这些参数的取值方法原则和表达式的计算思想仍然存在一定程度上的差异，因此，我们有必要深入内在的分析各类参数取值原理，对比表达式的计算思路，寻找三国橫风向风荷载表达式的内部关联与相似性。在本文中，关于中国橫风向风荷载标准值的相关规定来源于荷载规范（GB50009—2012），美国风荷载规范取自（ASCE7-2010），日本风荷载规范取自（AIJ-RLB2014）。

3基本参数

3.1平均时距

表１给出了中美日三国风荷载规范所给定的平均时距。由表１可知，在确定基本风速时，而美国规范则选取3s，中、日风荷载规范的平均时距均采用10min。这表明在统计基本风速时，中、日风荷载规范更突出风的平均特性，而美国风荷载规范则重点侧重于风的脉动特性。而在计算结构风致响应时，中、日规范仍然采用10min作为统计时距，而美国规范则采用1h作为其平均时距。由于平均时距选择的差异性，必然会对３种规范风荷载计算产生较大影响。

3.2基本风速与基本风压

在中国荷载规范（GB50009—2012）中，橫风向风荷载标准值的计算首先要根据风压区划图确定当地的基本风压。在附录中，中国风荷载规范已经给出了全国各地的风压区划图，根据该图可查的全国各地五十年与一百年重现期的基本风压，而美国和日本风荷载规范的计算起点则是基本风速，同时，美日两国也在其规范中地相应的给出了其各地基本风速区划图。为了方便计算与比较，我们通常将中国规范的基本风压换算为基本风速．再将其转化成美日等国规范的相应基本风速。对于以往的最大里程风速值，现在则将其转换为3s时距的平均值，并确定称为脉动峰值风速。

由于中美日三国荷载规范中取的风速统计时距不同，中美日之间的基本风速需要进行一些基本换算。根据相关文献可知风速风压比值，中国:美国:日本v₀∶u₀∶ｕ_z0＝1.0:１.45∶1.05,W₀∶q₀∶q_z0＝1.0:2.08∶1.08。对于高度在10m的平均风速，查阅美国荷载规范等相关资料，根据分析比较本文取Ｖ_3s∶Ｖ_10min＝1.45：1.0。而中日两国风荷载规范对基本风速的取值大致相等，只是在风的重现期上有一些不同。可知得到50年和100年重现期基本风速比V₅₀：V₁₀₀＝1.00：1.05。综上所述，美国的基本风速将大于中国风速许多，而日本则稍大于中国风荷载规范的基本风速。

对于风压高度变化系数与结构所受流速压的关系来说，中美日三国荷载规范基本风速沿高度的变化都为指数律变化。再根据梯度风速相等，我们可以相应的计算出各国风压高度变化系数，但值得注意的是，在三国风荷载规范中，幂指数和梯度高度等基本取值的选取并不相同。在对比中发现，中日两国荷载规范的风压高度变化系数取值基本一致，两者高度变化系数均明显大于美国荷载规范中的变化系数，且其系数随高度的增加而变得更加明显。当然，这并不意味着中日的荷载规范的取值偏于安全保守，而是因为幂指数与风速统计时距和地貌都有密切关系：当风速统计时距越小，其反映出的平均风特性越弱，风速剖面的幂指数就越小。在美国风荷载规范，风荷载计算的基本风速都选用3s时距，因此，其美国的风剖面幂指数比中日两国规范都偏小。

通过将基本风压与风压高度变化系数相乘的方法，我们可以得到高层结构在不同高度处受到的来流速压。这样一来，流速压的对比将更加清晰的呈现于我们眼前。由于中日两国风速时距相近，因此其相应计算出来的来流速压也较为接近。同样也是由于美国基本风速较大，导致美国规范的来流速压计算出来后为1.2～2.3倍中日两国规范相应值。且当越接近地面、场地粗糙度越高时，差距越明显。中国规范D类和日本规范Ⅴ类场地大致相同的来流速压和风剖面也从侧面映证了前面理论的正确性。同时，边界层顶部相同的来流速压也表明了，不同重现期的风速换算方法是合乎实际的。

3.3场地类别及相关参数

在中国风荷载规范中，各类地形地貌的地面粗糙度可具体分为ABCD四类，具体如表二所示:

而美国风荷载规范同样有地面粗糙度和暴露类别等类似参数，但是美国地面粗糙度只有BCD三种，C/D对应中国规范中的B/A类型地貌，而B类型较宽泛的对应中国规范的C/D类型。美国风荷载规范中原有的A类地貌已经从2002版规范开始被取消，并明确建议以进行风洞试验的方法具体确定A类场地上的建筑风荷载。