三、基于IBC2009和 IBC2012的风荷载对比

1 概要

在美国的建筑结构规范IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)中，风荷载计算有Alternate all-heights method 和Directional Procedure for all-heights method等多种方法。本次在midas Gen中，结合风荷载规范的Alternate all-heights method内容，来了解风荷载的详细计算过程。

在IBC2006和IBC2009中，均严格采用ASCE7-05作为详细标准，如果需要使用规范IBC2006，则在程序中，应选择规范IBC2009(ASCE7-05)。

根据IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)规范，风荷载的内容与  midas Gen计算风荷载的过程对比内容主要体现以下部分，本章对比的内容在第三条款中给予体现。

1) IBC2006(ASCE7-05) 和IBC2009(ASCE7-05)中，风荷载规定Alternate all-heights method的计算内容。

2) IBC2012(ASCE7-10)中，风荷载规定Alternate all-heights method的计算内容。

3) IBC2006(ASCE7-05), IBC2009(ASCE7-05) 和IBC2012(ASCE7-10)中， 根据风荷载规定Alternate all-heights method的内容，用midas Gen来计算风荷载的详细过程。

4) IBC2006(ASCE7-05) 和IBC2009(ASCE7-05)中， 风荷载规定 Analytical Procedure的计算内容。

5) IBC2012(ASCE7-10)中，风荷载规定Directional Procedure的计算内容。

6) 根据IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)中，计算风荷载的Analytical Procedure 内容和IBC2012(ASCE7-10)的Directional Procedure内容，结合midas Gen，了解风荷载计算的过程。（ASCE7-16、ASCE7-22中，只有Directional Procedure for all-heights method的描述）。

图1 IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)中，风荷载计算方法

2在IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和 IBC2012 (ASCE7-10)中，根据Alternate all-heights method的风荷载计算过程

2.1计算风荷载输入的参数

风荷载：点击“主菜单的Load > Lateral Loads > Wind Loads”中，会生成对话框。一般情况下，风荷载需要生成整体坐标X、Y方向两个工况。根据IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)的Alternate all-heights method 生成对话框，与IBC2012(ASCE7-10)的Alternate all-heights method 生成对话框，如图2所示，两者的不同之处在于，IBC2012(ASCE7-10)中，不考虑重要性系数(Importance Factor)。

图2 IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)中，Alternate all-heights method对比

在IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)的Alternate all-heights method方法中，风荷载计算输入的参数如下所示。

图3在IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)中Alternate all-heights method方法，风荷载自动生成的对话框

图4 IBC2012(ASCE7-10)中Alternate all-heights method方法，风荷载自动生成的对话框

设计基本风速(Basic Wind Speed) : 用户直接输入基本风速(单位：mile/hour)。 在IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)中，同一区域指定一个设计基本风速。但在IBC2012(ASCE7-10)中，即使在同一区域，据风险类别Risk Category的不同，设计基本风速也会不同。 即，在IBC2012(ASCE7-10)中，根据建筑的重要性系数(风险程度)不同，使用不同的设计基本风速V。

暴露等级(Exposure Category) : 在B、C、D中选择等级。

屋顶平均高度H (Mean Roof Height) : Story Data(Main Menu的Model > Building > Story)中，输入顶层高度，由程序识别高度并自动输入，可以由用户直接修改高度。

重要性系数(Importance Factor) : 在0.77、0.87、1.00、1.15中选择一个或者由用户直接输入。仅在IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)中使用。 在IBC2012(ASCE7-10)中不使用。在IBC2012(ASCE7-10)中使用 风险类别 Risk Category 概念，来代替重要性系数。这在参数在计算设计基本风速时体现。

地形效应(Topographic Effects)：在地形效应下风速的影响。

地形类型(Hill Shape) : 从山脊或者山谷(2D-Ridge or Valley), 陡坡(2D-Escarpments),山丘(3D Axisymmetric Hill) 中进行选择。

建筑位置(Building Location) : 如果是二维陡坡面(2-D Escarpments)时，则根据建筑物位于峰顶的前方(Upwind)或后方(Downwind)，而输入不同的数值。

山峰高度(Hill Height) : 考虑地形峰顶的最高高度。

山峰长度(Hill Length) : 从坡度开始到地形顶端的水平距离。

从峰顶到建筑物的距离(Crest-Building Distance) : 在地形顶峰到建筑物所在的距离。

            (a) 2D Escarpments                     (b) 2D Ridge or Valley 或者3D Axisymmetric Hill

(c)考虑地形下的风荷载影响

图5考虑风速影响的地形类型和输入参数

净压力系数(Net Pressure Coefficient) :直接输入迎风面和背风面的净压力系数。一般情况下，如果是方形建筑物，迎风面的净压力为0.73，背风面的净压力系数为-0.51。

考虑风荷载偏心(Wind Eccentricity) : 是否考虑风荷载的偏心影响。当考虑风荷载时，偏心和偏心方向，如图6所示，选择将偏心置于平面中心的右侧(Positive)或者左侧(Negative)。

图6风荷载偏心方向

荷载作用方向(Wind Load Direction Factor) : 指定风荷载作用的方向和大小。 当在X方向上施加风荷载时，X-Dir中输入1，Y-Dir中输入0；当在Y方向施加风荷载时，X-Dir中输入0，Y-Dir中输入1。

2.2例题建筑物的形状

例题模型的立面形状如图7所示，平面形状如图8所示，建筑物为5层结构，每层层高为12ft，建筑物总高度为60ft。从地面标高处，建筑物在X、Y方向的宽度分别为30ft。从4层开始，沿Y方向尺寸进行缩减，建筑宽度减少到15ft。Alternate all-heights method方法，仅适用于75ft以下的建筑物。

(a)三维视图                (b) YZ 立面图                (c) XZ立面图

图7例题模型的立面形状

图8例题模型的平面形状

2.3例题模型中，风荷载输入的参数值

在IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)中，为了计算风荷载，在Alternate all-heights method方法中，输入的参数值如下：

设计基本风速(Basic Wind Speed) : 85 mile/h (IBC2012(ASCE7-10)中，考虑风险类别Risk Category来计算风速V)

暴露类别(Exposure Category) : B

屋顶平均高度(Mean Roof Height) : 60ft

重要性系数(Importance Factor) : 1.00 (仅在IBC2006, IBC2009中使用I)

是否考虑风荷载作用下，地形的影响:考虑

地形类型(Hill Shape) : 山脊或者山谷(2D-Ridge or Valley)

山高(Hill Height) : 150ft

山的长度(Hill Length) : 210ft

从山顶到建筑物的距离(Crest-Building Distance) : 0ft

净压力系数(Net Pressure Coefficient) : 迎风面0.73,背风面-0.51

考虑风荷载偏心(Wind Eccentricity) : 不考虑

荷载作用方向(Wind Load Direction Factor) : 整体坐标系X方向风荷载

ㆍX-Dir : 1

ㆍY-Dir : 0

2.4例题结构的风荷载计算

(1)速度压 暴露系数 

速度压 暴露系数 (velocity pressure exposure coefficients)，是反映高度和暴露类别的值，在计算迎风面的下各设计高度和背风面屋顶平均高度中，使用该值。

当z < 15ft 时， 

当15ft ≤ z < 时，

这时，地形暴露系数(terrain exposure constants)使用表1的值。

表1地形暴露系数

这里，等效高度 

h : 屋顶平均高度

已知：暴露类别为B，，

当时， 

当时，

计算每个设计高度的迎风面和背风面的速度压暴露系数，如表2所示。分布情况如图9所示。

表2例题模型的速度压暴露系数

图9例题模型-不同高度下的速度压的暴露系数

(2)地形系数

山顶、山丘、坡地、悬崖等处，受局部地形的影响，风速会相应增加，在山丘和坡地顶部的风速，相比平原处的风速高约1.5-2.0倍。地形系数是反映风速增加的系数，即地形增加的风速为平原风速，再考虑地形影响下增加的比率。地形系数，在平原处为1.0，而风速增加的区域，其值大于1。另外，由于地形造成的风速的增大，越接近地表面越大，地表面越平坦，越有增加趋势。地形造成的风速增大越接近地面越增加，相反，越往上越减少，达到一定高度后，不再发生变化。地形系数在迎风面时，采用的设计高度值。而在背风面时，采用屋顶平均高度的值，应用在整个楼层中。

地形系数计算过程如下：

式中：：通过表3，进行计算

表3地形作用下，风速增加的参数

1）计算大于0.5，如下所示。

条款中有限制要求

当，求时，取0.5.

计算过程如下：

当，求时，。

这时，计算过程如下：

会随着设计高度z的变化而变化，并随着高度的增加而减少。当计算时，会根据每层计算高度来决定。当计算迎风面时，使用相关各楼层的底标高；当计算背风面时，则采用屋顶平均高度。对于迎风面来说，相对取保守值。表4为计算例题模型，建筑各层风速增大效应系数结果，表5为计算各层风速增大效应系数结果。

表4例题模型风速增大效应系数

图10例题模型-不同高度下的风速增大效应系数

表5例题模型风速增大效应系数

图11例题模型-不同高度下的风速增大效应系数

(3)设计速度压(Velocity Pressure)

设计高度z处的设计速度压，计算过程如下，这时,迎风面的设计速度压，使用各设计高度的值，进行计算。而背风面的设计速度压，则采用屋顶平均高度的值，进行计算。

IBC2006(ASCE7-05)和IBC2006(ASCE7-05)

□IBC2012(ASCE7-10)

式中,

:高度z处的速度压暴露系数

:地形影响下风速增大系数

:设计基本风速= 85mile/h

I:重要性系数= 1.0

表6中利用上述的公式，计算出各层的设计速度压。

表6例题模型的设计速度压

图12例题模型-不同高度下的设计速度压

(4)净压力系数(Net Pressure Coefficient)

作用于建筑外墙的净压力系数，根据建筑物形状的不同而不同。如果是方形建筑物，迎风面的净压力系数为0.73， 背风面的净压力系数为-0.51。表7为各层建筑的迎风面和背风面的净压力系数。图13(a)为4F~Roof层净压力系数，图13(b)为1F~3F层的净压力系数。

(a) 4F ~ Roof 层的净压力系数

(b) 1F ~ 3F 层的净压力系数

图13例题模型-净压力系数

表7例题模型的净压力系数

(5)钢框架设计风压

本例题中，利用外部系数(external pressure coefficients)，通过下面的公式，计算设计风压。

式中

:设计高度z处的设计速度压

:迎风面的净压力系数(net pressure coefficient)

:背风面的净压力系数(net pressure coefficient)

例如，Roof层(z=60ft)处的迎风面和背风面的设计风压和整体风压的计算过程，如下所示：

迎风面的设计风压

背风面的设计风压

整体设计风压

3F层(z=24ft)处的迎风面和背风面的设计风压和整体设计风压的计算过程如下：

迎风面的设计风压

背风面的设计风压

整体设计风压

表8是例题模型，按各层计算的迎风面与背风面的设计风压相加，为总设计风压，如图14所示，显示其形状。

表8例题模型的主结构的设计风压

图14例题模型—不同高度下的设计风压

(6)结构的设计风荷载

结构设计的风荷载计算公式，如下所示，为结构设计风压与有效受压面积的乘积。

(lb)

式中，

:设计风压(design wind pressure)

:有效受压面积

在midas Gen中，按照各层来计算风荷载，在考虑刚性楼板假定时，将计算的风荷载施加到各层的几何中心。如图15所示，各层计算的风荷载，将作用于考虑该层的下半部分的受压面积(Part A) 的荷载和作用于所考虑该层上半部的受压面积(Part B)的荷载相加，施加到相应楼层的风荷中，由于底标高(Ground Level)的风荷载是施加在基底的荷载，因此，将该处风荷载设置为0。

图15特定层的风荷载计算的受压面积

图16为例题模型，4F层风荷载的受压面积，4F层的风荷载的受压面积由4F层下部的一半(Part A)和3F层的上半部(Part B)构成，当上下部分具有不同平面形状时，具有不同的值。

图16例题模型-4F风荷载作用下的受压面积

图17显示例题模型4F风荷载的设计风压。Part 6和Part 7的设计风压，为上、下层具有不同平面情况下，取不同的荷载值。

图17例题模型-4F风荷载作用下的设计风压

表9是例题模型的各层结构设计的风荷载。各层的风荷载按照不同的Part求和来确定。其中，作用于Ground level的风荷载虽然计算，但实际上地表是受荷载的，因此，在结构分析时，作用于结构的风荷载设置为0。

4F层(z=36ft)处的结构设计风荷载的计算如下：

Part 7 (4F 层下部的一半)处作用的风荷载

Part 6 (3F 层上部的一半)处作用的风荷载

4F层作用的整体风荷载

表9例题模型中，各层结构风荷载

2.5例题模型，通过midas Gen来确认计算的风荷载

(1)通过Wind Load Profile，来确认各层的风荷载、剪力、倾覆弯矩。

在Wind Load Profile中，可以一目了然的进行确认各层的风荷载、剪力、倾覆弯矩。

图18层风荷载(Story Force)

图19层剪力(Story Shear)

图20倾覆弯矩(Overturning Moment)

(2)通过Make Wind Load Calculation Sheet，确认输入参数和计算结果

在midas Gen的Make Wind Load Calculation Sheet中， 可以看到风荷载计算过程，具体计算过程如下：

输入值和基本计算过程

•IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)中的Alternate all-heights method方法

-重要性系数(I)

-计算设计速度压时，使用重要性系数。

•IBC2012(ASCE7-10)中Alternate all-heights method方法

-没有重要性系数

-计算设计速度压时，不使用重要性系数。

计算各层风荷载(各层风荷载、剪力、倾覆弯矩)

图21在界面中，生成的风荷载的三维云图(单位lb)

3整理

本次根据美国建筑规范IBC2006(ASCE7-05)、IBC2009(ASCE7-05)和IBC2012(ASCE7-10)，提到的风荷载方法中，简单的Alternate all-heights method的计算方法，了解其具体的计算过程。下次根据IBC2006(ASCE7-05)和IBC2009(ASCE7-05)，研究计算风荷载的第二种方法Analytical Procedure和IBC2012(ASCE7-10)中，计算风荷载的第二种方法Directional Procedure，进行深入研究。

参考文献

ASCE (1998), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers

ASCE (2002), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers

ASCE (2005), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers

ASCE (2010), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers