1、钢结构年第 期第 卷总第 期美国规范风荷载浅析及计算刘刚上官 晓军（中南电力设计院，武汉；中冶建设高新工程技术有限公司，北京）摘要 ：美国规范作为世界主流标准之一 ，被越来越多的涉外工程所要求采用 。以算例为基础 ，针对美国建筑最小荷载规范 中的风荷载进行分析和研究 ，以期对采用美国规范的涉外工程有所帮助 。关键词 ：美国规范 ； ；风荷载 ；样板法规 （ ， ，； ， ，）： ， ： ； ； ； ； 第一作者 ：刘刚 ，男 ，年出生 ，高级工程师 ，一级注册结构工程师 。：收稿日期 ：与中国规范体系有所不同 ，美国规范体系呈金字塔结构 。经过十多年的过渡 ，位于美国建筑规范顶端的样板法规 （
2、 ），已经由（ ）、（ ）和（ ）发展为现在的（ ）。美国建筑样板法规中不同部分的内容 ，均分别引自美国各领域的权威协会出版的公认标准（ ）。美国这些众多的协会 ，为上层样板法规提供了丰富的基础性标准文件 ，构成了坚实的美国规范体系 。譬如 ， 的常规风荷载的设计内容 ，引自（ ），即 “美国土木工程师学会 ”的出版物 （以下简称 “规范 ”）。因此 ，本文就 的风荷载内容作简单分析 ，并通过范例来帮助工程设计人员理解并应用于实际工程 。 设计方法在风荷载的设计方法上 ，中国规范主要为单一常规设计方法 ，风洞法作为特殊情况的补充 。英国风荷载规范 分为两种 ：标准法和定向法 ，美国规范分类则更
3、加合理些 ，规定建 （构 ）筑物设计风荷载根据不同条件 ，按下列种方法设计 。 简化法对具有简单横墙 ，各方向大致对称 ，屋顶为平屋顶 、人字屋顶或四坡屋顶 ，屋顶的平均高度不超过结构平面最小尺寸与（， ）的较小者 ，且风作用下不会引起特殊动力效应的刚性建筑物 （自振频率不小于），常用此种简化方法确定风压 。 分析法当建 （构 ）筑物的风荷载不满足简化方法的设计条件时 ，若建筑物或结构形状规则 ，且结构反应特性不会使其受到涡旋脱落 、振颤等不稳定因素的影响 ，也无需考虑风槽等特殊场地 ，就可以使用分析法来计算风荷载 。 风洞法适用于所有建 （构 ）筑物 ，不过需要进行模型试验 ，因此 ，本文只
4、对简化法和分析法做简单分析 ，风洞试验法这里不做讨论 。 设计步骤 简化法）根据规范图确定基本风速（或由业主标准与规范 （），提供 ），并假定风可以沿任意方向 。规范节中还包括一些条文 ，用于一些特殊风区 、山地和峡谷地区 。）根据规范表确定建 （构 ）筑物的分类 ，然后由表确定风荷载作用下的重要性系数。）根据规范节确定地面粗糙度类别 （、）。）由规范图确定风压高度和粗糙度调整系数。）根据规范节及图确定地形系数。）由规范图确定地面粗糙度类别为、高度为、重要性系数时的简化设计风压。对于低矮且有简单横墙的建筑 ，其主要抗风体系（ ）的简化设计风压由下列公式确定 ：（）式中 ：表示水平和垂直作用于建
5、筑表面的净压力（内 、外风压之和 ）。对水平方向 ，是上风向和下风向的净压力之和 。 分析法）根据规范节确定基本风速（或由业主提供 ）及风向因子。）根据规范节确定风荷载作用下的重要性系数。）根据规范节对每个风向确定地面粗糙度类别 （、），并确定风速压力暴露系数或。）根据规范节及图确定地形系数。）根据规范节确定阵风影响系数或。）根据规范节确定封闭类别 （全封闭 、部分封闭 、开敞式 ）。）根据 规 范节 确 定 内 部 风 压 系 数。）根据规范节或节确定外部风压系数或，或风压系数。）根据规范节确定风速压力或。在高度处的风速压力由式 （）计算 （ ）： （） （） （） （）根据规范节或节确定设
6、计风压或设计风荷载，设计风压由下列公式给出 ：对各种高度的刚性建筑（） （）对柔性建筑物（） （）对低矮建筑物（）（） （）其中 ：对迎风墙 ，在地面以上高度处 ，；对背风墙 、侧墙和屋顶 ，在高度处 ，；对周围被建筑物包围的迎风墙 、侧墙 、背风墙和屋顶 ，；对部分封闭的建筑 ，计算负内压时 ，；对部分封闭的建筑 ，计算正内压时 ，。对开敞式建筑和其他结构 ，设计风荷载由下式确定 ：（）式中 ：为质心面积在高度处的风速压力 ；为垂直于风向的受风面积 。 算例分析考虑到篇幅原因 ，这里仅就横向风作用下 ，规范中的主要抗风体系 （）进行算例分析 。另外 ，由于规范中表格均为英制单位 ，为了方便起
7、见 ，算例也采用英制单位 。 简化法 输入条件基本风速（）；地面粗糙度类别；非飓风区平坦地形 ；全封闭 、类 、刚性建筑 。建筑外形尺寸见图。图 建筑外形及受风区域示意 计算过程）根据非飓风区 、类建筑 ，由规范中表 查得重要性系数。）屋面角度，建筑高度取檐口高度为，地面粗糙度类别，查图得风压高度和粗糙度调整系数。）根据基本风速、平屋面 ，查图得各受风区简化设计风压（表）。）由于地形平坦 ，不满足规范规定的风加速效应条件 ，取地形系数刘刚 ：美国规范风荷载浅析及计算钢结构年第 期第 卷总第 期。）由简化设计风压公式得各受风区设计风压值 （表）。表 各受风区简化设计风压值 水平风压? ? ? ?
8、垂直风压? ? ? ? 注 ：。表 各受风区设计风压值 水平风压? ? ? ?垂直风压? ? ? ? 值得注意的是 ，美国规范将各受风面 （包括屋面和侧墙 ）细分为若干风压区 ，不同分区采用不同的风压系数 ，这点与英国风荷载规范 相同 ，更接近于真实情况 。中国规范则没有这方面的考虑 。 分析法 输入条件基本风速；地面粗糙度类别；非飓风区平坦地形 ；轴对称山坡 （ ）。地貌特征见图，建筑物尺寸同图。注 ： 为相对于迎风面地形的山坡或悬崖的高度 ； 为山坡或悬崖高度一半对应的迎风面地形长度；为建筑物至坡顶的水平距离。图 建筑物地形示意 计算过程）根据非飓风区 、类建筑 ，由规范中表 查得重要性系
9、数。）查规范表可得风向因子 （该因子仅用于规范节和节规定的荷载组合中 ，其他情况下 ，该因子取）。）根据地面粗糙度类别、低矮建筑 ，查规范表可得风速压力暴露系数。）地形系数（），由，轴对称山坡条件 ，查规范图得 ： （） （）风速压力 。）刚性建筑阵风影响系数取。）查规范图 可得内部风压系数。）由，风向垂直于屋脊且屋面坡度，根据规范图查得建筑各受风面外部风压系数值如图所示 。注 ：括号内数值为风压系数 ，为无量纲 。图 各受风面风压系数及风压方向示意为了考虑建筑物内部风压影响 ，美国规范引入了内部风压系数 ，对有孔洞 、门窗的开敞式建筑产生的内部风压 ，作了详细的分析和规定 ，这点与英国规范一
10、致 。中国规范仅在验算围护构件及强度时 ，出于安全考虑 ，参照国外规范规定了的内表面局部风压体型系数 ，对于主抗风体系的风荷载设计 ，则没有引入该系数 。）由所有高度的刚性建筑设计风压公式 ：（），可得各受风面设计风压值见表。值得注意的是 ，在基本风速的时距上 ，美国规范为，中国规范为，在相同条件下若采用中国规范计算风荷载 ，必须对基本风速进行时距的转换 。（下转第页 ）标准与规范 （），在轴力和弯矩共同作用下 ，试件发生全截面屈服破坏 ，不同参数组合对试件的耐火性能有重要影响 。由于厚度方向的热梯度 ，柱弯矩相应增大 ；而由于截面弯曲中心的变化 ，弯矩减小 。热梯度同样影响轴力和弯矩组合塑性
11、抵抗矩 ，如沿柱长度最热处的临界截面 ，此处弯矩最小 （并不是直观认为的最大值 ）。试验与计算模型在预期要求 （如弯矩减小 ）和承载力 （如塑性承载力变化 ）方面吻合很好 。关键词 ：耐火 ；钢 ；梁柱节点 ；热梯度辊弯曲宽翼缘构件残余应力的有限元模拟 ， ： ， ， ： ； ； ； ； ，（）： 摘要 ：弯曲宽翼缘钢构件常用于建筑和桥梁中 ，并在室温下通过辊弯机进行弯曲 。辊弯过程改变了构件残余应力分布 ，可能影响拱构件的弹塑性屈曲性能 。考虑材料非线性 、几何非线性及接触 ，进行数值模拟 ，分析辊弯过程中弯曲宽翼缘构件的残余应力 。将模拟结果与试验结果进行比较 ，结果表明 ：下翼缘吻合很好 ，上翼缘吻合较好 ，腹板吻合一般 。结果证明有限元分析方法可用于研究辊弯曲宽翼缘构件的残余应力 。关键词 ：残余应力 ；曲钢 ；辊弯曲 ；有限元分析 ；塑性变形（上接第页 ）表 各受风面净设计风压值受风面 净设计风压 迎风面墙体 背风面墙体全高 侧面墙体全高 迎风屋面 （案例 ） 迎风屋面 （案例 ） 背风屋面 结语规范的风荷载规定复杂且严谨 ，涵盖了各种不同情况下风荷载的设计规定 ，限于篇幅 ，本文仅以规则建筑为算例分析了简化法和分析法的主要设计流程 ，希望起到抛砖引玉的作用 ，对工程设计人员有所帮助 。参考文献 （ ： ） 建筑结构荷载规范
