看懂 AS/NZS 风荷载的总逻辑

中国规范对比主线采用《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012,同时补充《工程结构通用规范》GB 55001-2021。两者不一致时,以强制性的 GB 55001-2021 为准。住建部公告

一、整本规范的知识地图

模块主要内容对应条文中国规范对应内容
1适用范围、术语、整体流程Section 1、2GB 50009 第8章
2区域风速、重现期Section 3基本风压、基本风速
3风向与气候变化3.3、3.4中国主公式中没有完全对应的独立系数
4地面粗糙度及高度4.2风压高度变化系数 μz\mu_z
5周围建筑遮挡4.3中国规范没有完全相同的独立遮挡系数
6山丘、山脊和陡坡4.4山峰、山坡地形修正
7外压、内压、体型Section 5体型系数、局部体型系数
8墙面、屋面和局部风压5.3、5.4、Appendix A围护结构、局部风压
9独立墙、雨篷、太阳能板Appendix B特殊构件体型系数
10构件、桁架、塔架、圆形结构Appendices C、D高耸结构及构件体型系数
11风振和动力响应Section 6风振系数、横风向和扭转风振
12完整双规范算例综合用同一建筑分别计算

第1课:先看懂 AS/NZS 风荷载的总逻辑

对应规范印刷页:

  • Section 2:第16~23页
  • 核心公式:2.2、2.4(1)

1. AS/NZS 的计算链条

整本规范实际上只是在完成下面这条链:

flowchart LR
    A["区域风速 VR"] --> B["场地风速 Vsite"]
    B --> C["建筑设计风速 Vdes"]
    C --> D["设计风压 p"]
    D --> E["构件与结构风作用 W"]

第一步:区域风速 VRV_R

这是由建筑所在地、设计重现期决定的区域阵风风速。

可以先把它理解成中国规范里的“基本风压 w0w_0”所扮演的起点角色,但两者不是同一种物理量:

  • AS/NZS 从“阵风风速”开始;
  • 中国规范通常从“基本风压”开始。

这是两套规范最重要的思维差异。


2. 从区域风速得到场地风速

AS/NZS 1170.2 式2.2:Vsit,β=VRMcMd,β(Mz,catMsMt)V_{\mathrm{sit},\beta} = V_R M_c M_{d,\beta} \left(M_{z,\mathrm{cat}}M_sM_t\right)

各符号可以这样记:

符号含义通俗理解
VRV_Rregional wind speed这个地区的基础阵风风速
McM_cclimate change multiplier气候变化系数
Md,βM_{d,\beta}wind direction multiplier不同风向出现强风的概率不同
Mz,catM_{z,\mathrm{cat}}terrain/height multiplier地面越空旷、位置越高,风越大
MsM_sshielding multiplier周边建筑的遮挡作用
MtM_ttopographic multiplier山丘、山脊、陡坡的加速作用

记忆口诀:

区域 × 气候 × 风向 × 地面高度 × 遮挡 × 地形

注意:这些系数乘在“风速”上,而压力与风速平方成正比。因此一个看似不大的系数,对最终风压影响可能很明显。


3. 场地风速和设计风速不是同一个东西

场地风速 Vsit,βV_{\mathrm{sit},\beta}

按照八个方位确定:

  • N
  • NE
  • E
  • SE
  • S
  • SW
  • W
  • NW

这里的 β\beta 是地理风向,从正北方向顺时针计算。

设计风速 Vdes,θV_{\mathrm{des},\theta}

建筑物通常按自身正交轴计算,例如:

  • 沿建筑纵向;
  • 沿建筑横向;
  • 两个相反方向。

对某一个建筑正交方向,规范要求在该方向前后 ±45\pm45^\circ 范围内,取经插值后的最大场地风速。

所以:

  • Vsit,βV_{\mathrm{sit},\beta}:相对于地理北方向;
  • Vdes,θV_{\mathrm{des},\theta}:相对于建筑自身轴线。

这是 AS/NZS 比中国日常计算更强调的地方:先建立八方向场地风速,再转换为建筑方向设计风速。

承载能力极限状态下,Vdes,θV_{\mathrm{des},\theta} 不得小于 30m/s30\,\text{m/s}


4. 从设计风速得到设计风压

AS/NZS 式2.4(1):p=(0.5ρair)Vdes,θ2CshpCdynp= \left(0.5\rho_{\mathrm{air}}\right) V_{\mathrm{des},\theta}^{\,2} C_{\mathrm{shp}}C_{\mathrm{dyn}}

规范通常取:ρair=1.2kg/m3\rho_{\mathrm{air}}=1.2\,\text{kg/m}^3

因此:0.5ρair=0.60.5\rho_{\mathrm{air}}=0.6

公式可以写成方便计算的形式:p=0.6Vdes,θ2CshpCdyn(Pa)p=0.6V_{\mathrm{des},\theta}^{\,2} C_{\mathrm{shp}}C_{\mathrm{dyn}} \quad(\text{Pa})

或者:p=0.0006Vdes,θ2CshpCdyn(kPa)p=0.0006V_{\mathrm{des},\theta}^{\,2} C_{\mathrm{shp}}C_{\mathrm{dyn}} \quad(\text{kPa})

其中:

  • CshpC_{\mathrm{shp}}:气动体型系数,可能包括外压、内压、局部压力、面积折减等;
  • CdynC_{\mathrm{dyn}}:动力响应系数;
  • 普通、不明显风敏的低层建筑,CdynC_{\mathrm{dyn}} 通常取1.0;
  • 正压力表示指向表面,负压力表示吸力、远离表面。

5. 小算例

假设:VR=45m/sV_R=45\,\text{m/s}

并取:Mc=1.0,Md=0.95,Mz,cat=1.0,Ms=1.0,Mt=1.0M_c=1.0,\quad M_d=0.95,\quad M_{z,\mathrm{cat}}=1.0,\quad M_s=1.0,\quad M_t=1.0

场地风速:Vsit=45×1.0×0.95×1.0×1.0×1.0=42.75m/sV_{\mathrm{sit}} =45\times1.0\times0.95\times1.0\times1.0\times1.0 =42.75\,\text{m/s}

暂定:Vdes=42.75m/sV_{\mathrm{des}}=42.75\,\text{m/s}

若:Cshp=0.8,Cdyn=1.0C_{\mathrm{shp}}=0.8,\qquad C_{\mathrm{dyn}}=1.0

则:p=0.5×1.2×42.752×0.8=877Pap =0.5\times1.2\times42.75^2\times0.8 =877\,\text{Pa}

即:p=0.877kPa\boxed{p=0.877\,\text{kPa}}

最重要的不是这个结果,而是理解:

前面的系数改变风速,风速平方以后,再乘体型系数和动力系数,得到风压。


6. 与中国规范的核心比较

中国规范主体结构风荷载常用表达式:wk=βzμsμzw0w_k=\beta_z\mu_s\mu_z w_0

围护结构则采用阵风系数和局部体型系数。GB 50009 将基本风压定义为当地空旷平坦地面、10 m高度、10 min平均风速,经概率统计得到50年一遇风速后,再换算成风压。GB 50009相关定义与公式

AS/NZS 1170.2中国 GB 50009关键区别
VRV_R 区域阵风风速w0w_0 基本风压一个是风速,一个是风压
Mz,catM_{z,\mathrm{cat}}μz\mu_z前者修正风速,后者修正风压,数值不能直接互换
MdM_d通常无直接对应项AS/NZS明确考虑风向差异
MsM_s无完全相同的常规独立系数AS/NZS可明确考虑周围建筑遮挡
MtM_t地形修正相关规定表达方式不同
McM_c主公式中无直接对应项2021版AS/NZS增加气候变化系数
CshpC_{\mathrm{shp}}μs\mu_sμsl\mu_{sl}都描述气动体型,但组合方法不同
CdynC_{\mathrm{dyn}}βz\beta_zβgz\beta_{gz}都考虑脉动和动力效应,但体系不同

最需要避免的错误是:

不能把中国规范的基本风速或基本风压,直接塞进 AS/NZS 公式。

因为两者的平均时距、阵风定义、地面条件、方向处理和可靠度体系不同。

第1课过关题

请直接回复答案和简单理由:

  1. VR=50 m/sV_R=50\text{ m/s}Mc=1.05M_c=1.05Md=0.90M_d=0.90Mz,cat=1.00M_{z,\mathrm{cat}}=1.00Ms=0.95M_s=0.95Mt=1.10M_t=1.10。求 VsitV_{\mathrm{sit}}
  2. 如果其他条件不变,设计风速提高10%,风压大约提高多少百分比?
  3. Vsit,βV_{\mathrm{sit},\beta}Vdes,θV_{\mathrm{des},\theta} 的主要区别是什么?
  4. 为什么不能把中国规范的基本风速直接作为 AS/NZS 的 VRV_R

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