0 引言

　　 风荷载是建筑结构设计中需要考虑的一项重要内容，对沿海超高层建筑尤其重要。高层建筑抗风设计方法有规范设计、风洞试验、数值风洞模拟仿真，其中规范是基准。目前，广东省参照国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[1]编制了广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15—101—2014) ^[2](简称广东规范),另外有部分抗风细节体现在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[3]中。香港地区按照2019年新修订的 Code of practice on wind effects in Hong Kong 2019 ^[4](简称香港规范)实行。

　　 根据Explanatory notes to the code of practice on wind effects in Hong Kong 2019 ^[5](香港风荷载规范注释),2019年版香港规范与2004年版香港规范 ^[6]相比，与国际规范更加接近，特别参考了澳大利亚/新西兰规范 AS/NZS 1170.2、美国规范 ASCE 7-16和欧洲规范 BS EN 1991-1-4。

　　 近年来，有关学者针对各国荷载规范中风荷载的计算进行了一系列的对比研究：朱凡等 ^[7]比较了2004年版香港规范 ^[6]与中国大陆《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012);刘刚 ^[8]对中美规范中风荷载的计算分析进行了比较；赵杨等 ^[9]从“阵风荷载因子”的角度对中美日加澳五国的荷载规范进行了系统性研究；夏瑞光 ^[10]从平均风荷载和脉动风荷载的角度对比了中澳欧三个国家与地区的荷载规范；申跃奎等 ^[11]对中美英三国荷载规范中风荷载的重要参数进行了比较。

　　 对比广东规范与香港规范中有关风荷载的计算，可为结构抗风设计和相关研究者提供参考，有利于了解广东省、香港地区甚至其他国家与地区的荷载规范中有关风荷载计算的差异，对粤港两地的工程项目尤其重要。

1 粤港荷载规范对比

　　 广东规范与香港规范对建筑主体结构的风荷载计算不尽相同。本节总结了两套规范风荷载计算参数与计算公式的差异性，从这两方面进行对比分析。

1.1 计算公式

　　 广东规范与香港规范的基本计算公式对比见表1。两套规范顺风向风荷载的计算形式相似，但值得注意的是，广东规范只需要计算两个方向(X,Y向，图1(a))的风荷载，而香港规范需要验算四个方向(±X1,±X2向，图1(b))风荷载，并且香港规范可以计算任意风向角下的风荷载，适用于更复杂的风环境。

　　 在横风向风荷载计算上，广东规范通过各楼层风荷载和基底总剪力来衡量风作用，香港规范则通过基底弯矩来衡量。

　　 在计算得到横风向基底弯矩后，香港规范需要根据横风向基底弯矩对顺风向风荷载进行修正，从而与横风向基底弯矩相匹配，修正后的顺风向风荷载将会增大，结果更为保守。广东规范不需要修正顺风向风荷载。

　　 在计算扭转风荷载时，香港规范采用一个更简单的计算模型，将顺风向风荷载作用点偏移一个水平距离e,扭转风荷载等于该偏移距离乘以顺风向风荷载，然后取四个方向下扭转风荷载的较大值。相比之下，广东规范扭转风荷载的计算方法较为复杂，涉及更多参数。

　　 广东规范对顺风向与横风向的风振加速度分别规定了不同的计算公式，香港规范使用一个公式计算风振加速度。

　　 粤港荷载规范基本计算公式 表1

计算参数	广东规范	香港规范
顺风向风荷载	wk=βzμsμzw0	Wz=QzCfSq, zB
横风向风荷载	wLk=gw0μzCL′Bz1+RL2−−−−−−−√ wLk=gw0μzCL′Bz1+RL2
横风向基底弯矩		Mxx,base=±Gryγwξ0.5yρaN1.3y(BD)0.15b(0.2152γwQh/ρa−−−−−−−−√ 1+3.7Iv,h)3.3H2b3Μxx,base=±Gryγwξy0.5ρaΝy1.3(BD)b0.15(0.2152γwQh/ρa 1+3.7Ιv,h)3.3Ηb23
顺风向荷载修正	不需修正	需根据横风向基底弯矩进行修正
扭转风荷载	wTk=1.8gw0μHCT′(zH)0.91+RT2−−−−−−−√ wΤk=1.8gw0μΗCΤ′(zΗ)0.91+RΤ2	ΔTz=max{e1Wz,±x1,e2Wz,±x2}
风振加速度	aD,z=2gI10wRμsμzBzηaBmaD,z=2gΙ10wRμsμzBzηaBm(顺风向); aL,z=2.8gwRμHBmφL1(z)πSFLCsm4(ζ1+ζa1)−−−−−−√ aL,z=2.8gwRμΗBmφL1(z)πSFLCsm4(ζ1+ζa1) (横风向)	Az=Gryρaξ0.5yN1.3y(BD)0.15b(0.2152SrQh/ρa−−−−−−−−√ 1+3.7Iv,h)3.3Hb3Mh⋅2+ηy3⋅(ZHb)ηyAz=Gryρaξy0.5Νy1.3(BD)b0.15(0.2152SrQh/ρa 1+3.7Ιv,h)3.3Ηb3Μh⋅2+ηy3⋅(ΖΗb)ηy

 

　　 注：w_k为风荷载标准值，kN/m²;β_z为高度z处的风振系数；μ_s为风荷载体型系数；μ_z为风压高度变化系数；w₀为基本风压，kN/m²;w_Lk为横风向风振等效风荷载标准值，kN/m²;g为峰值因子，可取2.5;C′_L为横风向风力系数；B_z为脉动风荷载的背景分量因子；R_L为横风向共振因子；w_Tk为扭转风荷载，kN/m²;μ_H为结构顶部风压高度变化系数；C_T′为风致扭矩系数；R_T为扭转共振因子；z为楼层标高，m;H为建筑总高度，m;a_D,z为高层建筑z高度处顺风向风振加速度，m/s²;I₁₀为10m高度名义湍流度，A,B,C,D四类地面粗糙度分别取值0.12,0.14,0.23,0.39;B为迎风面宽度，m;m为结构单位高度质量，t/m;η_a为顺风向风振加速度的脉动系数；w_R为重现期为R年的风压，kN/s²;a_L,z为高层建筑z高度处横风向风振加速度，m/s²;S_FL为无量纲横风向广义风力功率谱；C_sm为横风向风力谱的角沿修正系数；φ_L1(z)为结构横风向第1阶振型系数；ζ₁为结构横风向第1阶振型阻尼比；ζ_a1为结构横风向第1阶振型气动阻尼比；W_z为高度Z上，每单位高度所受的顺风荷载，kN/m²;Q_z为经过屏障效应、地形影响和风向调整后的设计风压，kN/m²;C_f为力系数；S_q,z为尺寸和动力系数；G_ry为1h内横风共振响应的标准偏差峰值因子；γ_w为极限风荷载系数，取1.4;ξ_y为阻尼与横风向振动临界阻尼的比值；ρ_a为空气质量密度，取1.4;N_y为与横风方向一致的模态的基本频率；(BD)_b为超过建筑顶部三分之一高度的闭合矩形的平均平面面积；Q_h为在建筑有效高度H_e处的设计风压Q_z;I_v,h为在建筑有效高度H_e处的风湍流强度，可以取高度h处的滞流强度I_o,h,或从风洞试验中获得，或者用Engineering Sciences Data Unit (ESDU) 的方法计算而得；H_b为地面以上建筑结构的高度，不包括主要屋顶以上的不规则屋顶高度；e₁,e₂为顺风荷载假设作用点到区域几何中心偏移的水平距离；S_r为不同重现期下的风压系数；M_h为2H_b/3高度以上的建筑质量；η_y为用于描述近似振型偏差随高度变化的参数。

　　  

　　 图1 风荷载计算方向示意图  

　　  

1.2 基本参数

　　 图2 风荷载计算程序运行界面

　　  

　　 广东规范与香港规范的计算参数在取值规定与测量方法上各有差异。部分计算参数命名有区别，但意义相同，比如广东规范中的基本风压和香港规范中的参考风压，计算参数对比见表2。

2 工程实例计算

2.1 风荷载计算程序编写

　　 为了计算与比较适用粤港两地不同荷载规范体系下的风荷载计算结果，使用面向对象的程序语言Delphi编制风荷载计算程序 ^[12,13]。该计算程序具有检验规范适用条件、进行风荷载分析、生成风荷载计算简图及导出计算结果到Excel等功能。程序界面如图2所示。

　　 粤港荷载规范基本计算参数对比 表2

计算参数	广东规范	香港规范
地面 粗糙度	分为A,B,C,D四类地面粗糙度	采取统一的地面粗糙度，通过地形因子和折减高度考虑周边地形与建筑群的影响
风振作用	采用风振系数βz进行考虑	采用尺寸和动力系数Sqz合并考虑动力结构与静力结构两大类
基本风压 w0	在空旷地面以上10m高处，按50年的风重现期，10min内测得的平均风速
参考风压 Qoz		对应外海上平均风速为59.5m/s的风暴，在500m的参考高度处的测量结果
阻尼比ξ	没有给出明确的规定，由设计人员决定	根据结构类型与建筑纵横比给出明确的阻尼比选择规定

 

　　  

　　 计算程序可以在不建模的情况下，通过读取建筑尺寸、结构动力特性、风气候特征等参数信息，计算出建筑结构的顺风向风荷载、横风向风荷载、扭转风荷载与风振加速度。风荷载计算程序结果输出界面见图3。

　　 图3 风荷载计算软件结果输出示意图 

　　  

2.2 程序计算结果准确性检验

　　 利用编写得到的计算程序，对某地上67层的超高层建筑进行风荷载计算。该超高层建筑结构总高度295.1m, 建筑长度46.9m, 宽度46.9m, 建筑平面体型为方形，结构总质量为131 220t, 顺风向基本自振周期为6.786s, 横风向基本自振周期为6.3s, 阻尼比取0.05,舒适度阻尼比为0.02。

　　 广东规范与香港规范对部分风荷载计算参数的取值与规定不尽相同，这些参数包括基本风压和地面粗糙度。在本算例中，根据广东规范进行计算时，基本风压取0.75kN/m²,地面粗糙度为B类地貌。根据香港规范进行计算时，参考风压按表3 ^[4]采用，该参数在香港规范风荷载分析中所起的作用，相当于广东规范中基本风压与风压高度变化系数的乘积，此参数在两套规范中的取值对比可见3.5节。

　　 参考风压 Q_oz ^[4]4]表3

有效高度 Ze/m	参考风压 Qoz/kPa	有效高度 Ze/m	参考风压 Qoz/kPa
≤2.5	1.59	150	3.05
5	1.77	200	3.20
10	1.98	250	3.31
20	2.21	300	3.41
30	2.36	400	3.57
50	2.56	500	3.70
75	2.73	>500	参考专家意见
100	2.86

 

　　  

　　 香港规范在香港全地区采取统一的地面粗糙度，对周边地形与周围建筑群的考虑体现在地形因子和折减高度两个参数上，在本算例中，对应广东规范中对B类地貌的定义(田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇),折减高度可取0,地形因子取1。建筑结构整体模型如图4所示。

　　 使用PKPM对基于广东规范自编的风荷载计算程序的电算结果进行检验 ^[14],对比结果显示PKPM与自编软件计算得到的顺风向基底总剪力相差1.86%,横风向基底总剪力只相差0.34%。各层风荷载计算结果对比见图5。

　　 图4 工程实例 分析模型 

　　  

　　 图5 自编程序与PKPM风荷载计算结果对比 

　　  

　　 两个软件风荷载计算结果在层高变化的楼层有差别，PKPM比自编程序计算结果稍大，其中首层和顶层的计算结果误差最大，其余结果接近。差异出现的原因可能是PKPM软件在计算风荷载时，考虑了其他效应的影响，这个效应与层高的变化和边界条件的改变有关。

　　 基于香港规范自编的风荷载计算软件的准确性，通过手算屋面层的顺风向风荷载、横风向基底弯矩、扭矩、风振加速度进行校核，最后得到的计算结果和程序运行结果相吻合，见表4。

3 计算结果对比分析

3.1 顺风向风荷载结果对比

　　 两套规范的顺风向风荷载计算结果对比见图6,香港规范中规定的+X1,+X2向相当于广东规范中的X,Y向。

　　 屋面层风荷载计算结果对比 表4

计算参数		顺风向 风荷载 /(kN/m)	横风向 基底弯矩 /(kN·m)	扭转风荷 载/(kN/m)	风加速度 /(m/s2)
电算	+X1向	744.05	1.12×107	978.59	0.319 (最大值)
	-X1向	658.62	1.22×107	866.04
	+X2向	744.05	1.12×107	978.59
	-X2向	658.62	1.34×107	866.04
手算	+X1向	744.05	1.12×107	978.59	0.319 (最大值)
	-X1向	658.62	1.22×107	866.04
	+X2向	744.05	1.12×107	978.59
	-X2向	658.62	1.34×107	866.04
平均误差		0%	0%	0%	0%

 

　　  

　　 图6 粤港荷载规范顺风向风荷载对比

　　  

　　 从计算结果对比分析可得：1)两套规范计算得到的顺风向风荷载沿层高变化趋势一致，但在层高变化的楼层，香港规范的风荷载变化比广东规范显著；2)广东规范计算得到的X向顺风向风荷载作用下的基底总剪力比香港规范小64.98%,Y向顺风向风荷载作用下的基底总剪力比香港规范小61.64%;3)X向顺风向风荷载偏差比Y向的大。

3.2 横风向风荷载结果对比

　　 在分析建筑结构的横风向风荷载时，广东规范给出了各楼层横风向风力的计算公式，利用该公式，可计算得横风向基底剪力、横风向基底弯矩。然而，香港规范只给出了横风向基底弯矩的计算公式。要对比分析两套规范的横风向风荷载效应，需要先根据广东规范计算出各楼层横风向风力，在此基础上算得横风向基底弯矩，再与根据香港规范算得的横风向基底弯矩进行对比。

　　 根据广东规范计算而得的各层横风向风荷载如图7所示。

　　 图7 广东规范横风向风荷载计算结果  

　　  

　　 通过各楼层的横风向风荷载，计算得广东规范下X,Y向横风向基底弯矩分别为8.8×10⁶,1.07×10⁷kN·m。根据香港规范公式计算的横风向基底弯矩X,Y向分别为1.20×10⁷,1.34×10⁷kN·m。广东规范横风向基底弯矩与香港规范相比，X向减小25.94%,Y向减小20.13%。

　　 由此可知：1)两套规范衡量横风向风效应的计算参数和公式不同，广东规范给出计算各层横风向风荷载的公式，香港规范给出横风向基底弯矩的公式；2)广东规范计算得到的横风向基底弯矩比香港规范小，在本算例中X,Y向分别减小25.94%和20.13%;3)从本算例可知两套规范下X向的横风向基底弯矩偏差比Y向大。

3.3 扭转风荷载结果对比

　　 香港规范在计算扭转风荷载时，取四个方向上计算得到的扭转风荷载的较大值；广东规范采用一个公式进行计算。根据两套规范计算的扭转风荷载结果如图8所示。

　　 图8 粤港荷载规范扭转风 荷载对比  

　　  

　　 图9 粤港荷载规范采用 风压值对比

　　  

　　 在8层以下，香港规范计算得到的扭转风荷载比广东规范大；在8层及以上，香港规范扭转风荷载的计算结果比广东规范小，两者之间的偏差随着层高的增加而增大，最大偏差出现在顶层，香港规范下的扭转风荷载比广东规范小48.54%。可见在低楼层香港规范考虑的扭转风荷载比广东规范大，而在高楼层广东规范下的扭转风荷载更大。

3.4 风振加速度计算结果对比

　　 在本算例中，根据广东规范计算风振加速度时，10年重现期风压取0.45kN/m²,计算得风振加速度为0.119m/s²(顺风向)和0.337m/s²(横风向)。根据香港规范，回归周期取10年，计算得风振加速度为0.319m/s²,对应的方向为横风向，该值与广东规范计算得到的横风向风振加速度(0.337m/s²)接近，两套规范的风振加速度计算结果相似。

3.5 不同高度处参考风压对比

　　 为了进一步了解风荷载计算结果的差异由来，本文对计算过程中涉及的参数、不同高度处的风压值进行计算分析。根据香港规范，全香港地区采取统一的地面粗糙度。广东规范部分取沿海城市深圳所采用的基本风压0.90kN/m²进行对比，对应回归周期100年。这一基本风压比广东省其他大部分城市的基本风压大。计算结果对比见图9。

　　 由图9可见：1)两套规范采用的风压值沿层高变化趋势大致相同；2)广东规范所采用的基本风压值比香港规范的小；3)广东规范中沿海地区A类地面粗糙度下的风压值与香港地区采用的风压值最接近。

　　 香港规范下的顺风向风荷载和风压值均比广东规范大，由此可见两套规范下顺风向风荷载的其中一部分差异是由风压值的不同引起的，风压值的取值差别来自于测量方法的差异(表2)。

4 结论

　　 风荷载是建筑结构抗风设计的重要基准，涉及建筑结构的安全和经济。本文在深入研究和详细对比粤港荷载规范基础上，依据规范中的风荷载计算模型，使用面向对象的程序语言Delphi成功编制了两款风荷载计算程序。通过对一栋超高层建筑工程实例的风荷载分析，验证了风荷载计算程序的准确性，计算精度达到商用软件PKPM标准，对比了两套规范下顺风向风荷载、横风向风荷载、扭转风荷载、风振加速度和不同高度处参考风压的计算结果。通过规范对比和工程算例发现，粤港两地荷载规范的计算模型、基本参数、计算公式存在差异，由此导致粤港邻近地区的建筑，即使建筑体型和结构动力特性相似，但风荷载取值存在显著差异。