AS 1170.2结构设计作用与风的作用

第 1 章综述

1.1 范围

本标准涉及风速的确定步骤和受风力作用影响的结构在结构设计中需使用的、由此引起的风力作用，这种风力作用不同于龙卷风造成的风力作用。

本标准包含以下标准范围内的结构：

(a) 高度低于200米的建筑物；

(b) 屋顶跨度低于100米的结构；

注:

1 本标准是上述标准范围内的结构的独立文件。通常，本标准可用于

所有结构，但需提供其他信息。风洞试验的指导方针、可靠参考和可供选择参数在结构设计—风力作用—注释一节的AS/NZS

1170.2附录1(AS/NZS 1170.2:2002附录)中有规定。

2 如果结构的自然频率低于1 Hz ，则第6章要求进行动态分析(见第6

章)。

1.2 应用

阅读本标准时，应结合AS/NZS 1170.0一起阅读。

本标准可用作证明结构是否遵守澳大利亚建筑标准第B1部分要求的手段。

1.3 参考文件

本标准中参阅了以下文件：

4040 薄板屋顶和墙壁包层的试验方法

4040.3 第3部分: 旋风地区的抗风压性能

AS/NZS

1170 结构设计

1170.0 第0部分: 一般原则

ISO

2394 结构可靠性的一般原则

4354 风力对结构的作用

澳大利亚建筑标准委员会

澳大利亚建筑标准

1.4 风力作用的确定

应确定设计中使用的风力作用值(W)，风力作用值应适合结构或结构元件的类型、其预期用途、设计工作寿命和风力作用影响。

当按照第2章中详述的步骤使用本标准中规定的值进行测定时，则可以认为满足了本条要求。

1.5 单位

除了特别说明外，本标准使用国际标准单位的公斤、米、秒、帕斯卡、牛顿和赫兹(kg, m, s, Pa, N, Hz)。

1.6 定义

本标准中使用的术语定义列在附录A中。

1.7 符号

本标准中使用的符号列在附录B中。

第 2 章风力作用的计算

2.1 综述

测定作用在结构和结构元件或建筑物上的风力(W)的步骤应如下：

(a) 确定现场风速(见第2.2条)；

(b) 由现场风速确定设计风速(见第2.3条)；

(d) 计算风力作用(见第2.5条)。

2.2 现场风速

在地面以上(见图2.1)参考高度(z)处8个基本方向(β)上所定义的现场风速(V sit,

β) 应如下：

V sit,β= V R M d (M z,cat M s M t) . . . 2.2 其中，

V R= 第3章规定的区域性3s阵风风速，单位为米/秒，年超过数概率为1/R；

M d= 第3章规定的8个基本方向(β)上的风向放大系数；

M z,cat = 第4章规定的地形/高度放大系数；

M s= 第4章规定的屏蔽放大系数；

M t= 第4章规定的地势放大系数。

通常，风速是在平均屋顶高度(h)处测定的。有些情况下会有所不同，根据适当章节的规定，有时风速是根据结构来测定的。

在不知道建筑物方位的情况下，应假定区域性风速是从任意基本方向上都起作用的(即所有方向M d= 1.0)。

2.3 设计风速

建筑物正交设计风速(V des,

θ)应作为最大基本方向现场风速(V sit,β)，它成直线插入方位基点之间，方位基点处于与设想的正交方向成±45度的扇面内(见图2.2 和2.3)。

注: 就是说，在[β= θ±45 度]范围内，V des,

θ等于现场风速(V sit,β)的最大值，β是从正北顺时针的基本方向，θ是与建筑物正交轴所成的角度。

在结构为墙壁、板围和网格塔架的情况下，如果设想角度为45°，则V des,

θ应为V sit,β值，此值处于从设想的45°方向±22.5°的扇面中。

对于最终极限状态设计，V des,

θ不应低于30米/秒。

注:对于最恶劣的方向，保守的方法是用风速和放大系数对结构进行设计。例如，陡坡上的建筑物，可以轻易地检验出暴露面(朝向陡坡)的V R M d (M z,cat M s M t)是否是最坏情况。另外，为简化设计，此数值可用作建筑物所有方向上的设计风速。

屋顶平均高度

图2.1结构的参考高度

图 2.2 风向和建筑物正交轴的关系

基本方向

注:在θ±45度的范围内，V

des,θ值是V

sit,β

的最大值，在此处所示情况下，V

des,θ

值为

风速X。

图 2.3 V sit,

β转化成V des,θ的例子

2.4 设计风压和分布力

2.4.1 设计风压

结构和结构元件的设计风压(p)，单位为帕斯卡，应按如下所示进行测定：p = (0.5 ρair) [V des,θ]2 C fig C dyn . . . 2.4(1) 其中

p = 正常作用于表面的设计风压，单位为帕斯卡；

= p e, p i 或p n，其符号由用于C fig评估的C p值来限定。

注: 压力取为正数，表明超过环境压力和负压，表面低于环境压力。

ρair = 空气密度，应取为1.2 kg/m3

V des,θ= 建筑物正交设计风速(通常, 根据第2.3条，θ= 0°, 90°, 180°, 和270°)。

注: 对于某些应用来说, V des,

θ可以是一个单一值或者表示为高度(z)的函数，例如：高大建筑物的迎风墙(>25m)。

C fig= 第5部分规定的空气动力形状系数

C dyn= 第6部分规定的动态响应系数(除非结构对风敏感，否则数值为1.0，见

第6章)。

2.4.2 设计风的分布力

结构和结构元件单位面积上设计风的摩擦阻力(f)，单位为帕斯卡，应按如下所示测出：

f = (0.5 ρair) [V des,θ]2 C fi

g C dyn. . . 2.4(2)

2.5 风力作用

2.5.1 综述

AS/NZS 1170.0中使用的风力作用(W)应按照第2.5.2至2.5.5条的规定测定，加速度应按照第2.5.6条规定测定。

2.5.2 需考虑的方向

应通过对与结构成一条直线的至少四个正交方向上的风进行考虑来获得风力作用。

2.5.3 表面或结构元件上的力

2.5.

3.1 从风压得到的力

为了测定风力作用，施加在墙壁或屋顶之类的表面或结构元件上的力(F)（单位为牛顿）应为力的矢量和，它是根据适用于假定区域(A)的压力来计算的，其计算如下

F = Σ(p z A z) . . . 2.5(1) 其中，

p z= 第2.4.1条中计算的设计风压，单位为帕斯卡(作用于表面的正常力), 高度为z。

注: 压力符号规定造成正压时力朝向表面，负压时力离开表面。

A z= 参考区域，单位为平方米，高度为z, 在此高度上压力(p z)起作用。

对于封闭的建筑物，应测出内部压力，使内部压力与外部压力同时起作用，包括局部压力系数的影响(K l)。应选择将内部和外部压力结合起来最恶劣的情况来进行设计。

当考虑到表面压力随高度而变化时，应对区域进行细分，以便将规定压力载送到适当区域(见第4.2条－风速随高度而变化)。

2.5.

3.2 从摩擦阻力得到的力

为了测定风力作用，施加在墙壁或屋顶之类的建筑元件上的力(F)（单位为牛顿）应为力的矢量和，它是根据适用于假定区域的分布摩擦压力来计算的，其计算如下：

F = Σ(f z A z) . . . 2.5(2) 其中，

f z= 第2.4.2条中在高度z处计算的平行于表面的设计摩擦分布力，单位为帕斯

卡

2.5.

3.3 从力系数得到的力

附录E和F中涉及到的结构，其形状系数是以力系数的形式限定的，而不是以压力系数的形式规定的。在这些情况下，为了测定风力作用，以牛顿为单位表示的力(F)应按如下所示进行测定：

F = (0.5 ρair) [V des,θ]2 C fig C dyn A ref. . . 2.5(3) 其中，

A ref= 按照附录F所述，代表石板

= l ×b，代表附录E和附录F中包含的其他结构或结构元件

2.5.4 整个结构上的力和力矩

为了测定风力作用，应测出作用在整个结构上的全部合力和倾覆力矩，作为建筑物所有表面上外部压力作用的总和。

对于系数d/h或d/b (见第5.4条)大于4的矩形封闭建筑物，作用在整个结构上的全部合力应包括按照第5.5条计算的摩擦阻力。

对于动态影响，应按照第6章将顺风和侧风反应结合起来进行计算。

2.5.5 疲劳敏感元件的性能

在C区和D区，在按照本标准测定的、作用于外表面和内表面上的最终极限状态风压的基础上，包层及其连接部分和直接支撑元件应表明其在AS 4040.3中规定的压力序列下的性能。

2.5.6 风敏感结构的耐用性

对于风敏感烟囱、桅杆和圆形截面杆子（按照第6.1条规定）耐用性的风力作用计算来说，应按照第6章来计算挠度。

注: 其他风敏感结构峰值加速度的信息列在附录G中。

第 3 章地区性风速

3.1 综述

本章节应用于对适合建造结构所在地区的阵风速度进行计算,包括风向的影响。

3.2 地区性风速(V R)

对于图3.1中所示地区，在3个二级阵风参数基础上的任意方向的地区性风速(V R)应如表3.1所示，其中R(平均重复周期)是风速年度超过数概率的倒数。适合于结构设计的年度超过数概率值的信息，参见AS/NZS 1170.0。

表 3.1

地区性风速

注: 计算值应四舍五入到最接近的1 m/s。

3.3 风向放大系数(M d)

3.3.1 A区和W区

A区和W区的风向放大系数(M d)应如表3.2所示。

3.3.2 B区，C区和D区

B区，C区和D区任意方向的风向放大系数(M d)应为如下所述：

(a) 测定整个建筑物上的合力和倾复力矩以及测定主要结构元件(抗整

个结构倒塌的构件)上的风力作用时，系数为0.95。

(b) 在其他任何情况下，系数为1.0 (包括包层)。

3.4 C区和D区系数(F C, F D)

表3.1中所示C区和D区风速包括另外的系数(F C和F D)，系数应如下所示：

(a) 对于最终极限状态风速, F D= 1.1.

(b) 对于最终极限状态风速, F C= 1.05.

注: 1998至2002年间穿过D区的第5类气旋的频率比历史数据所预测的频率大得多，本标准中的风速便是基于历史数据所预测的频率测定的。当以记录的风速为基础时，采用了本条中的系数，允许在预测C 区和D区(热带气旋地区)最终设计风速时可能有的不确定性。这些系数值将来在模拟后可以修改，模拟是在所记录的气旋轨迹的基础上进行的。像这样的分析自然要包含遍及澳大利亚北部沿海(即：C区和D区)

的气旋活动。长期气候变化的影响也要包含在内。

表 3.2

风向放大系数(M d)

第 4 章现场暴露放大系数

4.1 综述

本章节应用来对与现场情况有关的暴露放大系数进行计算，它与地形/高度(M z,cat), 屏蔽(M s)和地势(M t)有关。

在对地形类别进行评估时，设计应考虑到地形起伏不平的已知将来变化，在对屏蔽进行评估时，设计应考虑提供屏蔽的建筑物的已知将来变化。

4.2 地形/高度放大系数(M z,cat)

4.2.1 地形类别定义

风是越过地形朝结构流动的，应在下列类别所描述的情况的基础上对地形进行评估：

(a) 第1类—障碍物很少或无障碍物的暴露开放地形以及适用性风速下的水表面

(b) 第2类—障碍物很少且适当分布的水表面、开放地形、草地，通常，障碍物

的高度从1.5米到10米不等。

例如：郊区住房。

(d) 第4类—有无数大型、高大(10米到30米高)、紧密分布且分隔开的障碍物的地

形，例如：大城市的市中心和发展良好的大工业中心。

在选择地形类别时，应适当考虑形成表面起伏不平的障碍物的持久性。特别是，在刮风过程中，不能指望用热带气旋地区的植被来保持表面的起伏。

4.2.2 地形/高度放大系数(M z,cat)的测定

随地形起伏不平的影响高度(z)而变化的风速变量(地形和结构高度放大系数, M z,cat) 应从表4.1(A)和表4.1(B)中所示完全展开的剖面图的值中获得。对于高度和地形类别的中间值，使用线性插值。

表 4.1(A)

在完全展开的地形中, 阵风速度的地形/高度放大系数—适用性极限状态设计—所有地区和最终极限状态—A1区至A7区, W区和B区

注: 对于高度Z和地形类别的中间值, 使用线性插值。

表 4.1(B)

在完全展开的地形中, 阵风速度的地形/高度放大系数—最终极限状态设计

—仅为C区和D区

注: 对于高度Z和地形类别的中间值, 使用线性插值。

4.2.3 地形类别的变化

如果风穿过地形类别有变化的地面，且此地形类别处于表4.2(A)中规定的结构高度的平均距离内，在对这种风向进行考虑时，地形和结构高度放大系数应作为地平面以上高度Z处结构逆风方向上平均距离的加权平均值(见图4.1(a))。

M z,cat的加权平均数应通过结构逆风方向上每个地形的长度来衡量，考虑到每个地形类别变化的滞后距离。图4.1(b)中对此进行了举例说明。

对于在Z高度上的估算，地形变化中包括了下述滞后距离(x i)：

其中

x i= 从一个新地形起伏开始至内层展开高度等于Z的位置的顺风距离(滞后距离)；

z0,r= 表4.2(B)中所示，在起伏之间的边界，两个粗糙长度中较大的一个；

z = 平均局部地平面以上结构的参考高度。

注: 滞后距离对于低于15米的高度不构成重要影响。

表 4.2(A)

结构高度的平均距离

表 4.2(B)

地形类别的粗糙长度

4.3 屏蔽放大系数(M s)

4.3.1 综述

适合于特定方向的屏蔽放大系数(M s)应如表4.3中所示。当平均逆风地面倾斜度大于

0.2或者屏蔽作用不适用于特定风向或者忽略不计时，屏蔽放大系数应为1.0。

表 4.3

屏蔽放大系数(M s)

注: 对于s的中间值, 使用线性插值。

4.3.2 提供屏蔽的建筑物

只有当建筑物位于半径为20h t的45°扇区内(对称定位在所考虑的方向周围)并且建筑物的高度大于或等于h t时，才可利用建筑物来提供屏蔽。

4.3.3 屏蔽参数(s)

表4.3中的屏蔽参数(s)应通过以下公式来确定:

其中

l s= 屏蔽建筑物的平均间隔，通过以下公式得到:

h s= 屏蔽建筑物的平均屋顶高度

b s= 屏蔽建筑物的平均宽度, 垂直于气流

h = 平均屋顶高度，在屏蔽结构的地面以上

n s= 半径为20h且h s≥h的45°扇区内逆风屏蔽建筑物的数量

4.4 地形放大系数(M t)

4.4.1 综述

地形放大系数(M t)应按如下所述进行测量:

(a) 对于海拔在500米以上的新西兰和塔斯马尼亚岛的现场:

M t= M h M lee(1 + 0.00015 E) . . . 4.4(1) 其中

M h= 山形放大系数

M lee= 背风(影响)放大系数(取为1.0, 在新西兰的背风区域除外, 见第

4.4.3条)

E = 高于平均海拔的现场高度，单位为米

(b) 在其他地方，取以下数值中的较大值:

(i) M t = M h

(ii) M t= M lee

4.4.2 山形放大系数(M h)

山形放大系数(M h)应采用1.0, 但图4.2至4.4中所示局部地形区域内的特殊基本方向

除外，山形放大系数值应如下所述:

(a) 对于H/(2L u) < 0.05, M h= 1.0

(b) 对于0.05 ≤H/(2L u) < 0.45, (见图4.2 和4.3)

(i) 在分隔带内(见图4.4)

(ii) 在局部地形区域内的其他地方(见图4.2 和4.3)，M h应如方程式4.4(2)所示：

其中

H = 山，山脊或陡坡的高度

L u = 从山，山脊或陡坡的脊部到脊部下面一半高度水平面的逆风水平距离

x = 结构逆风或顺风到山，山脊或陡坡脊部水平距离

L1= 长度比例尺，单位为米，用来确定M h的垂直变化，取0.36 L u或0.4 H两者中的较大值

L2= 长度比例尺，单位为米，用来确定M h的水平变化，所有类型的地形逆风取

4 L1，山和山脊顺风取4 L1，陡坡顺风取10 L1。

z = 平均局部地平面以上结构的参考高度

注: 图4.2, 4.3和4.4是特殊风向下结构的现场截面图。

在X和Z为零的情况下，M h值如表4.4所示。

不论本条款的规定如何，倘若远离结构现场的距离超过其海拔高度10倍以上，则可以忽略一切峰值影响。

图 4.2 山和山脊

注: 对于陡坡而言，从脊部到一定距离处（取3.6 L u或4 H中较大的那个值）所测量的平均顺风坡度不应超过0.05。

图 4.3 陡坡

图4.4 坡度大于0.44的分隔带

表 4.4

脊部的山形放大系数

4.4.3 背风放大系数(M lee)

对于图3.1(b)中所示新西兰背风区域中的现场，应评价背风(影响) 放大系数(M lee)。对于其他所有现场，背风放大系数应为1.0。在背风区域内，背风放大系数应只适用于图3.1(b)中所指定的来自基本方向的风。

每个背风区域的宽度应为30公里，这个宽度是从山脉开始的下风脊部测量，在指定风向上顺风。背风区域由‘阴影背风区’组成，‘阴影背风区’从背风区域（山脉开始的脊部）的逆风边界延伸12公里，‘外部背风区域’覆盖了剩余的18公里。

对于阴影背风区域(即：山脉脊部12公里内) 内的现场，背风放大系数应为1.35。在外部背风区域内，背风放大系数应使用水平距离通过线性插值来测定，水平距离是从阴影/外部区域边界(其中，M lee= 1.35) 到顺风的背风区域边界(其中，M lee= 1.0)。注: 在澳大利亚，未对背风区域加以确定。

第五章空气动力形状系数

5.空气动力形状系数

5.1.概述

本章用于计算结构或部分结构的空气动力形状系数(C fig)。C fig值用于确定每个表面所施加的压力。为了计算压力，C fig的符号表示表面或元件上压力的方向(参见图5.1)，正值表示作用于表面的压力，负值表示由表面作用的压力（小于环境压力，即吸力）。设计所使用的风力作用效应是诸如封闭建筑物上的内外压力的合成压力等不同压力效应确定的数值总和。

第5.3、5.4和5.5提供的数值适用于封闭的矩形建筑物。对于此标准，矩形建筑物包括在平面图上一般由矩形构成的建筑物。建筑物、游离壁，游离屋顶、暴露在外的构件以及其它结构的特例的确定方法在相应的附件中给出。

备注：C fig用于确定所研究表面的一个面的压力。C fig的正值表示作用于表面的压力，负值表示由表面作用的压力。

(a)压力垂直于封闭建筑物的表面

备注：C fig仅用于确定结构外表面的摩擦阻力。每单位面积的载荷与表面相平行。

(b)封闭建筑物上的摩擦阻力

图5.1（部分）C fig的符号规定