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摘要：在建筑工程的设计及建设过程中，经过长时间的实践和积累，我国规范在风荷载的取值和计算方面积累了丰富的经验。随着一带一路的建设和对国际市场的开拓，在海外建设的工程项目越来越多，且不同国家的荷载规范存在差异，风荷载差异尤为明显，需要对国外荷载规范进行更加深入的了解。介绍美国标准与我国现行规范在风速的取值、风荷载的计算等方面的异同点，便于进行风荷载的对比分析，为结构工程风荷载设计提供可靠的依据。
关键词：风荷载；设计基准期；基本风压；美标
近些年来，随着全球经济的高速发展，越来越多的国内优秀设计企业开始走出国门，面向海外市场。对于涉外项目的设计而言，设计规范的确定显得尤为重要。有些项目可以直接按照中国规范来进行设计，有些项目则必须按照美国规范或欧洲规范进行设计，此时国外的设计规范、标准显得尤为重要。虽然各国规范在结构设计的基本原理上大体一致，但各国在荷载规范的风荷载规定和解读上差异性较大，风速统计方法和荷载重现期也有所不同，所以按照不同国家的荷载规范进行风荷载设计，往往会得到不同的设计结果。本文就中美荷载规范的风荷载部分进行简要的对比。
1 荷载规范
美国的最小设计荷载规范（ASCE 7-10）的前身是1980年版的美国国家标准A58（ANSI A58.1-1980 D）。其所规定的最小荷载取值、组合系数和荷载组合均采用了以概率理论为基础的结构极限状态设计方法，综合材料、极限状态、荷载、结构类型等因素，并在统计数据分析的基础上，考虑一定的目标可靠度指标而得出。中国的建筑结构最小荷载以及组合等是借鉴了国际标准ISO 2394：1998《结构可靠度总原则》，在统计的基础上给出。采用了与美国标准不完全一样的极限状态设计模式和目标可靠度值。本文将结合中国的国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012（以下简称GB50009）与美国荷载规范《建筑或其他结构最小设计荷载》ASCE 7-10（以下简称ASCE 7），对中美建筑结构的最小荷载进行对比研究。讨论的范围限于对房屋建筑和类似结构。
2 设计基准期
设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，一般情况下不可随意更改。我国荷载规范GB50009指明：采用的设计基准期为50年，条文说明指明该标准适用于一般结构。美国荷载规范ASCE 7指出：基本风荷载的基准期是50年；对于滨海飓风区应乘以重要性系数换算为100年基准期。
3 风荷载
GB50009的基本风速的定义如下：将不同风仪高度和时次时距的最大风速，统一换算为离地10m高，自记10min平均年最大风速，统计分析确定重现期为50年的最大风速作为基本风速。ASCE 7的基本风速的定义如下：再地面暴露类别为C类的开阔场地，再离地10m高，记录时距为3s时，重现期为50年的阵风风速，这是在飓风地区以外场地的定义。
GB50009和ASCE 7对于最小的基本风压值规定不同。GB50009提出基本风压不得小于0.3kN/m2；ASCE7条文提出设计主抗风系统的最小风荷载设计压力不小于0.77kN/m2乘以垂直风荷载方向的墙面面积，与0.38kN/m2乘以屋面竖直投影面积两者之和。ASCE7条文提出其他结构的最小风荷载设计压力不小于0.77kN/m2乘以结构在垂直风荷载方向的面积或投影面积。
3.1 基本风速转换成风荷载的过程
国标GB50009：由基本风速转换成基本风压，再考虑风振系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数等最终转化成风荷载标准值，即基本风速——基本风压——风荷载标准值。
美标ASCE7：由基本风速考虑结构的重要性系数、风压高度变化系数、地形系数等转换成速度压力，再考虑压力系数和阵风影响系数转换成设计风压，相当于中国规范的风荷载标准值，基本风速——速度压力——设计风压（风荷载标准值）。
3.2 地面粗糙度
国标GB50009对地面粗糙度的规定如下：地面粗糙度分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
美标ASCE 7对地面粗糙度的规定如下：地面粗糙度分为B、C、D三类，B类指城市及市郊地区、丛林地区或其它具有许多障碍物地区，该障碍物如独户住宅或较大的住宅而且彼此靠近；C类指具有高度小于30英尺（9.1米）的分散障碍物开阔地区，该类地区包括平坦开阔的乡村、草原及所有飓风区域（美国规范定义的如美国靠近太平洋、墨西哥海湾地区，这里基本风速都是大于90mph，还有夏威夷、关岛和萨摩亚群岛）之内的海平面；D类指平坦和飓风区域（美国规范定义的）之外的无障碍的沿海地区，该类别包括海滨泥地、盐湖滩地及完整冰的区域。
从中国、美国规范关于地面粗糙度和暴露类别的划分和对应规范的条文说明可以得出以下对应关系：
表3.1 中国、美国规范地面粗糙度类别和暴露类别的对应关系
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3.3基本风压计算
0.0.1国标风荷载标准值计算
1）当计算主要承重结构时：
（
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）
式中：ωkchina —风荷载标准值（kN/m2）
βz —高度z处的风振系数
μs —风荷载体型系数
μz —风压高度变化系数，还应考虑地形条件的修正
W0china —基本风压（kN/m2）
υchina —基本风速（m /s）
2）当计算围护结构时：
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式中：βgz — 高度z处的阵风系数
μsl — 局部风荷载体型系数
3）风振系数βz，按GB50009确定风振系数βz，计算公式如下：
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ε— 脉动增大系数
ν — 脉动影响系数
Φz — 振型系数
μz — 风压高度变化系数
0.0.2美标风荷载标准值计算
美国规范ASCE 7对建筑物抗风设计的方法为“建筑主要抗风体系的风荷载方向设计法”。该方法又分为一般方向设计法和简化的方向设计法。根据结构的封闭程度、刚度、高度和不同的部位采用不同的表达式计算。在风荷载的计算方法上有三种方法：简化法、解析法和风洞法，这里只介绍美国规范中常用的解析法。
1）解析法基本计算公式如下：
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式中：kz — 速度压力暴露系数；
Kzt — 地形系数；
kd — 风方向系数，为0.85~0.95；
I — 重要系数，要根据规范ASCE 7-10关于建构筑物受风、水、地震、雪荷载作用确定建构筑物分类；
Vusa —基本风速（m/s）
Wkusa —基本风压（kN/m2）
2）当计算主要承重结构时设计风压时，计算公式如下：
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式中：q — qz在地面以上高度z处迎风面的速度压力；
q — qh在高度h处背风面、两侧墙和屋面的吸力；
qi — qh迎风面、两侧墙、背风面、和全封闭建筑的屋面以及部分封闭建筑的内部负压力；
qi — qz部分封闭建筑的内部正压力，z是指可能受内部正压侵袭建筑开敞处的最高点；
G — 阵风系数；
Cp — 外部压力系数；
GCpi — 内部压力系数；
3）对于建筑物或构筑物维护结构进行计算时：
a）当房屋平均屋面高度小于18.3米时，计算公式如下：
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qh — 在平均屋面高度h处的速度压力
GCp — 外部压力系数
GCpi — 内部压力系数
b）当房屋高度大于18.3米时，计算公式如下：
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GCp — 外部压力系数
4 中美风荷载差异总结
1）通过对比可以得出美国规范的基本风速是中国规范风速的1.4倍；
2）美国与中国规范在地面粗糙度和暴露类别有一个大致的对应关系；
3）美国规范在风荷载的计算时比中国规范多考虑了以下几个系数：按照建筑结构的类型和用途考虑了重要性系数、风向系数、内部压力系数；
4）美国规范在风荷载的计算时屋面的外部压力系数（相当于中国规范的体型系数），不同的区域为不同值，而中国规范是一个确定的值；
5）美国规范在风荷载的计算时背风面的风荷载不是随高度变化的，全高都为屋顶的值，这与中国规范有很大的差别。
通过对某种结构采用中美规范分别进行风压计算，得出美国规范比中国规范风压普遍都大，不同部位大的倍数不同，最小的大1.3倍，最大的大2.5倍。其主要原因是相同自然条件下，按美国规范原则确定的风速数值要比中国规范的大，再者美国规范都考虑了建筑物的内部压力。
参考文献：
[1] ASCE/SEI 7-10：Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures.
[2] GB 50009-2012：建筑结构荷载规范.
[3] GB 50051-2002：烟囱设计规范.
[4] 刘天英，齐秋平.中外规范基本风俗对比分析[J].钢结构，2012，27（12）：57-59.
[5] 侯建国，罗雯等.中美规范风荷载设计规定的比较[J].武汉大学学报（工学版），2014，47（增刊）：43-52.