徐欣，周國玲

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 前言

近年來，伴隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和技術(shù)水平的日益提高，中國工程設(shè)計單位經(jīng)常有機會參與到國際工程的建設(shè)之中，與此同時，中國規(guī)范和國際通用規(guī)范之間的差異成為工程設(shè)計人員所必須面對和掌握的問題。風荷載在橋梁設(shè)計中占據(jù)著重要的地位，對大跨徑懸索橋、斜拉橋等柔性橋梁影響尤甚，往往還會控制設(shè)計，中國學者對中歐規(guī)范的風荷載計算方法做過一些對比研究，但均是基于中國GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，將中國現(xiàn)行公路橋梁相關(guān)設(shè)計規(guī)范同歐洲風荷載規(guī)范進行對比的少有資料可查。該文主要對JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》和歐洲風荷載規(guī)范(EN 1991-1-4: 2005)關(guān)于風荷載的計算方法進行對比研究(下文分別簡稱中國規(guī)范和歐洲規(guī)范)，并結(jié)合工程實例對兩種規(guī)范的計算結(jié)果進行比較。

2 規(guī)范比較

2.1 地表類別

根據(jù)地面粗糙度不同，中國規(guī)范將地表類別分為A、B、C、D共4類，歐洲規(guī)范將地表類別分為0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共5類。兩種規(guī)范關(guān)于各類地表類別的地表狀況描述匯總見表1，通過對比可以發(fā)現(xiàn)：中國規(guī)范和歐洲規(guī)范地表類別存在一一對應關(guān)系。

表1 中歐規(guī)范地表類別的地表狀況描述對比

2.2 基本風速

基本風速是風荷載計算的基礎(chǔ)，概括起來，基本風速主要由6個條件來定義，即：標準高度、標準地表類別、最大風速樣本、標準重現(xiàn)期、時距以及概率分布類型。中國規(guī)范將基本風速定義為“開闊平坦地貌條件下，地面以上10 m高度、重現(xiàn)期100年(即100年超越概率63.2%)、10 min平均的年最大風速”；歐洲規(guī)范將基本風速定義為“在平坦開闊的鄉(xiāng)村地形以上10 m高度處且考慮高度效應(如有)時，年超越概率為0.02的10 min平均風速”。中歐規(guī)范關(guān)于基本風速的定義條件匯總于表2。

表2 中歐規(guī)范關(guān)于基本風速的定義條件

由表2可知：除了重現(xiàn)期不同以外，中歐規(guī)范關(guān)于基本風速的定義條件均一致，所以在應用中歐規(guī)范進行風荷載的計算和比較時，在基本風速方面僅需將規(guī)范中給出的特定區(qū)域的基本風速按統(tǒng)一的重現(xiàn)期做簡單換算即可。

2.3 平均風速剖面

平均風速剖面即平均風速隨高度變化的規(guī)律。關(guān)于平均風速剖面的描述通常有指數(shù)律和對數(shù)律兩種形式，中國規(guī)范采用的是指數(shù)律形式，而歐洲規(guī)范采用的是對數(shù)律形式。無論采用哪種形式，平均風速剖面均表征為地表類別和高度的函數(shù)，中國規(guī)范定義抗風風險系數(shù)、地形條件系數(shù)、地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)來表征地面以上指定高度處設(shè)計基準風速與基本風速的比值，其中地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)相應在歐洲規(guī)范中稱為粗糙度系數(shù)，而抗風風險系數(shù)和地形條件系數(shù)并未在歐洲規(guī)范中找到對應的條文。在不考慮抗風風險區(qū)域和地形條件修正的基礎(chǔ)上，按中國規(guī)范和歐洲規(guī)范計算得到的各基準高度處地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)和粗糙度系數(shù)比較結(jié)果見圖1。

圖1 中歐規(guī)范各基準高度處地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)和粗糙度系數(shù)比較結(jié)果

由圖1可知：兩種規(guī)范設(shè)計基準風速均與地表粗糙度成反比。中國規(guī)范A類地表計算結(jié)果和歐洲規(guī)范Ⅰ類地表計算結(jié)果接近，略低于歐洲規(guī)范0類地表計算結(jié)果-4%～-8%；中國規(guī)范B類地表計算結(jié)果和歐洲規(guī)范Ⅱ類地表計算結(jié)果接近；中國規(guī)范C類地表計算結(jié)果和歐洲規(guī)范Ⅲ類地表計算結(jié)果在100 m以下接近，100～200 m之間中國規(guī)范計算結(jié)果增加速度高于歐洲規(guī)范，至200 m時，中國規(guī)范計算結(jié)果比歐洲規(guī)范計算結(jié)果大8%；中國規(guī)范D類地表計算結(jié)果和歐洲規(guī)范Ⅳ類地表計算結(jié)果在100 m以下接近，100～200 m之間中國規(guī)范計算結(jié)果增加速度高于歐洲規(guī)范，至200 m時，中國規(guī)范計算結(jié)果比歐洲規(guī)范計算結(jié)果大12%?？梢灶A見按中國規(guī)范考慮抗風風險區(qū)域和地形條件修正后，中國規(guī)范地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)計算結(jié)果將接近或較大于歐洲規(guī)范計算結(jié)果。

應當引起注意的是，針對4種地表類別，中國規(guī)范還分別規(guī)定了各自的截斷高度，對應于A、B、C和D類分別取為5、10、15和20 m，即地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)分別不小于1.08、1.00、0.86和0.69，這在規(guī)范中并沒有明確說明，僅在地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)的數(shù)值表格中給出了具體取值，由圖1可以看到，由于截斷高度的定義，中國規(guī)范各地表類別截斷高度以內(nèi)的地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)計算結(jié)果均明顯大于歐洲規(guī)范計算結(jié)果。

2.4 風荷載計算

自然界中的風隨時間不斷變化，從工程抗風設(shè)計的角度考慮，一般將其分解為風速不變的平均風和風速均值為0的脈動風的疊加，由此可以將橋梁結(jié)構(gòu)的風致響應分解為3部分計算，即平均風響應、脈動風背景響應和脈動風共振響應。其中脈動風背景響應為不考慮橋梁結(jié)構(gòu)振動時脈動風荷載引起的結(jié)構(gòu)響應；脈動風共振響應為橋梁結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下發(fā)生共振時的響應。

中國規(guī)范將平均風響應和脈動風背景響應兩部分合并，將合并后的總響應和平均風響應的比值定義為等效靜陣風系數(shù)，等效靜陣風系數(shù)可以通過查表得到，規(guī)范中的定義為“考慮紊流強度、脈動空間相關(guān)性、加載長度(或高度)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件離地面(或水面)高度等因素的順風向風荷載加載時的風速比例系數(shù)”；中國規(guī)范并沒有給出脈動風共振響應明確的計算方法，僅提到“結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的某階振型抖振慣性力荷載，可在獲得振型抖振位移的基礎(chǔ)上，通過考慮質(zhì)量分布、振型及頻率等因素綜合獲得”。

相比之下，歐洲規(guī)范關(guān)于風荷載計算方法的規(guī)定更加復雜，而且明確了僅對于固有頻率大于5 Hz的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件才可以忽略脈動風共振響應，歐洲規(guī)范定義了湍流強度、尺寸系數(shù)、動力系數(shù)等一系列參數(shù)以公式計算的形式給出了結(jié)構(gòu)平均風響應、脈動風背景響應和脈動風共振響應的計算方法，關(guān)于中國規(guī)范和歐洲規(guī)范風荷載計算結(jié)果的比較將在下文以算例的形式給出。

3 算例

馬普托大橋連接莫桑比克馬普托海灣南北兩岸，主橋為主跨680 m雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，橋址處的地表類別屬于中國規(guī)范B類、歐洲規(guī)范Ⅱ類，根據(jù)抗風專題研究單位的研究成果，橋位區(qū)離水面以上10 m高度處100年重現(xiàn)期的10 min平均年最大風速為35.77 m/s。主橋主塔設(shè)計采用鋼筋混凝土門式塔，塔肢截面為順橋向7 m×橫橋向5 m矩形截面，南岸主塔高135.1 m，北岸主塔高136.1 m。為使比較過程簡單明確，分別按中國規(guī)范和歐洲規(guī)范對南岸主塔在自立狀態(tài)下的橫橋向順風向風荷載做了計算，同時，為了得到較全面的比較結(jié)論，對各類地表類別考慮以及不考慮脈動風共振響應的風荷載均做了比較，比較結(jié)果見圖2。

由圖2可知：中歐規(guī)范風荷載均與高度成正比，與地表粗糙度成反比。當不考慮脈動風共振響應時，對應地表類別中國規(guī)范風荷載在較低高度處均小于歐洲規(guī)范風荷載[對應于Ⅰ類(A類)～Ⅳ類(D類)地表類別最大相對差值分別為-10%、-16%、-26%、-42%]，隨著高度的增加，兩種規(guī)范風荷載趨于接近，至200 m時，中國規(guī)范風荷載已超過歐洲規(guī)范風荷載[對應于A類(Ⅰ類)～D類(Ⅳ類)地表類別最大相對增量分別為16%、13%、12%、6%]；當歐洲規(guī)范風荷載考慮脈動風共振響應時，對應地表類別中國規(guī)范風荷載均遠小于歐洲規(guī)范風荷載[對應于Ⅰ類(A類)～Ⅳ類(D類)地表類別最大相對差值分別為-31%、-34%、-44%、-56%]，對于該文特定算例，南岸主塔在自立狀態(tài)下基頻為0.531 Hz，按歐洲規(guī)范計算得到的動荷載系數(shù)為1.32。由此可見，對于基頻較小的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，均應當考慮其脈動風共振響應，由于中國規(guī)范并沒有給出脈動風共振響應明確的計算方法，建議在按中國規(guī)范進行風荷載計算時，根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基頻結(jié)合風洞試驗或參考其他規(guī)范適當考慮該部分荷載。

圖2 中歐規(guī)范各地表類別風荷載比較結(jié)果

4 結(jié)論

通過對比中歐規(guī)范關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)風荷載的計算方法并結(jié)合算例分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)中國規(guī)范A～D共4類地表類別和歐洲規(guī)范0～Ⅳ共5類地表類別存在一一對應的關(guān)系。

(2)中歐規(guī)范關(guān)于基本風速的定義條件僅重現(xiàn)期不一致，在進行基本風速的計算和比較時，應注意重現(xiàn)期的換算。

(3)中歐規(guī)范關(guān)于地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)的計算結(jié)果接近，差距為-8%～12%，在按中國規(guī)范考慮抗風風險區(qū)域和地形條件修正后，中國規(guī)范地表類別轉(zhuǎn)換及風速高度修正系數(shù)計算結(jié)果將接近或較大于歐洲規(guī)范計算結(jié)果。針對4種地表類別，中國規(guī)范分別規(guī)定了各自的截斷高度而未在規(guī)范中明確說明，在應用中國規(guī)范計算較低高度處的風荷載時應引起注意。

(4)當不考慮脈動風共振響應時，對應地表類別中國規(guī)范風荷載在較低高度處均小于歐洲規(guī)范風荷載，隨著高度的增加，兩種規(guī)范風荷載趨于接近，至200 m時，中國規(guī)范風荷載已超過歐洲規(guī)范風荷載。

(5)當歐洲規(guī)范風荷載考慮脈動風共振響應時，對應地表類別中國規(guī)范風荷載均遠小于歐洲規(guī)范風荷載，由于中國規(guī)范并沒有給出脈動風共振響應明確的計算方法，建議在按中國規(guī)范進行風荷載計算時，應根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基頻結(jié)合風洞試驗或參考其他規(guī)范，適當考慮該部分荷載。