2012新荷载规范风荷载计算及其在PKPM软件中的实现引言相对于上一版规范GB50009-2001（以下简称2001规范），《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（以下简称2012规范)对风荷载的计算方法做了较大的修改。
其中不仅调整了风压高度变化系数和体型系数等静力计算内容，而且对风振计算的内容与方法做了大量的改进和完善工作，这其中包括：修改了顺风向风振系数的计算表达式和计算参数，增加了大跨度屋盖结构风振计算的原则规定；增加了横风向和扭转风振等效风荷载计算的规定，增加了顺风向风荷载、横风向及扭转风振等效风荷载组合工况的规定；增加高层建筑结构顺风向及横风向风振加速度计算等内容。
在风荷载的计算中，除了少数工程通过风洞试验获得数据以外，大多数工程仍需要借助于软件的自动计算功能，这就需要由工程人员自行确定相关的参数，由于2012规范中风荷载计算涉及的参数较2001规范明显增多，且计算方法变得更加复杂，使得参数的选择和对计算结果的定性校核变得比较困难，因此有必要对各参数的选择和主要参数对计算结果的影响进行详细的分析讨论。
在本文中，依据2012规范提供的计算方法，结合PKPM的软件，讨论了不同的参数设置和结构的特征对计算结果的影响，并对规范中的重要条文，如适用范围等进行了重点探讨。
1顺风向风荷载2012规范关于顺风向风荷载的计算公式没有形式上的变化，仍然采用平均风压乘以风振系数的表达形式。
对于主要受力结构，风荷载标准值的计算公式如下：(1)其中：—风荷载标准值（kN/m2）；—高度z处的风振系数；—风荷载体型系数；—风压高度变化系数；—基本风压。
如果不考虑结构在风荷载作用下的动力响应，则由平均风压引起的静荷载取决于体型系数、风压高度变化系数及基本风压这三项因素，下面首先讨论顺风向作用下的静荷载计算：1.1基本风压2012规范在2001规范数据的基础上进行了重新统计，部分城市在补充新的气象资料重新统计后，基本风压有所提高。
1.2体型系数2012规范中表8.3.1中增加了第31项，对于高度超过45m的矩形截面高层建筑需考虑深宽比D/B 对背风面体型系数的影响。
当平面深宽比D/B≤1.0时，背风面的体型系数由-0.5增加到-0.6，矩形高层建筑的风力系数也由1.3增加到1.4 。
8.3.2条还增加了矩形平面高层建筑的相互干扰系数取值。
在PKPM 软件中，基本风压和体型系数由设计人员直接指定，以上两项变化需由设计人员确认并在软件参数中体现，软件不做改变。
1.3 风压高度变化系数2012规范在保持划分4类粗糙度类别不变的情况下，适当提高了C 、D 两类粗糙度类别的梯度风高度，由400m 和450m 分别修改为450m 和550m 。
B 类风速剖面指数由0.16修改为0.15，适当降低了标准场地类别的平均风荷载，具体变化如下：62.010318.074.010616.000.110000.117.110379.1200160.044.032.024.0≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=B z D z C z C z B z B z A z A z z z z z μμμμμμμμ规范51.010262.065.010544.000.110000.109.110284.1201260.044.030.024.0≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=≥⎪⎭⎫ ⎝⎛=B z D z C z C z B z B z A z A z z z z z μμμμμμμμ规范 (2) 图1列出了四类地貌的风压高度变化系数的新旧规范对比，可以直观看出2012规范四类地区风压高度变化系数均比2001规范减小：图1在PKPM软件中，风压高度变化系数由程序根据上述公式自动进行计算。
当基本风压和体型系数不改变时，风压高度变化系数是影响顺风向静荷载的唯一因素，因此，图1也等价于结构不同高度处风荷载标准值的变化规律。
图2统计了A-D四类场地风压高度变化系数的两版规范的差异，其中D类场地2012规范减小的最多（17.7%），其次是C类（11.7%）、A类（6.9%）和B类（0~6.7%）。
除B类外其余三类均接近等比例减小，B类在梯度风高度（350米）以内随结构高度增加，差异相应增大。
这四类地区在超过梯度高度后，2012规范与2001规范的风压高度变化系数分别为 2.91和 3.12，因此最终差异均为(2.91-3.12)/3.12=-6.7%。
图2图3图3统计了A-D四类地区，在层高均匀的前提下，按新旧规范计算的风荷载总值（即基底剪力）的差异随结构总高度变化的趋势：对于A类地区，2012规范计算的基底剪力减小6.8%左右，其差异基本不受结构总高的影响；B类地区随结构高度增加，基底剪力的差异相应增加，结构总高100米时，新规范剪力减小3.2%左右，200米时减小4.6%左右，400米时减小5.8%左右，600米时，减小6.2%左右，即2012规范对于较高的结构，风荷载总值相对降低的越多；C 类地区在400米以内时，减小11.7%左右，超过400米后，差异逐渐减小，600米时差异为9.7%；D 类地区在450米以内减小17.6%左右，超过450米后差异逐渐减小，600米时为14.6%。
理论上，随着结构高度的增加，四类地区基底剪力的差异最终都将趋近于-6.7%，即风压高度变化系数的最终差异。
1.4 风振系数接下来讨论2012规范中顺风向风振的计算，在2001规范中风振系数的计算公式如下：z z z μξνϕβ+=1 (3)其中ξ为风振动力系数，与结构的阻尼比、基本风压及基本自振周期有关；z ϕ为结构的振型系数，在PKPM 软件中一律采用弯剪型的近似公式：；(4)ν为脉动影响系数，与粗糙度类别、高宽比及结构总高度有关；z μ为风压高度变化系数。
2012规范风振系数采用如下公式：210121R B gI z z ++=β (5)其中g 、10I 分别为峰值因子和10m 高度名义湍流强度，均为常量；R 为脉动风荷载的共振分量因子，，(6) 其中21R +与2001规范的ξ的表达式相同；z B 为脉动风荷载的背景分量因子，(7) 其中与2001规范zz μϕ项相同，其余各项与粗糙度类别、结构总高和迎风面宽度有关，这与2001规范的脉动影响系数ν的影响因素相似，区别在于ν与高宽比H/B 相关，而项则直接与迎风面宽度B相关。
可见新旧规范风振系数均与粗糙度类别、基本周期、基本风压、阻尼比、结构总高度、高宽比及风压高度变化系数有关。
假定基本风压0.5KN/m2，阻尼比5%，高宽比等于5，结构高度200米，基本周期3.3s，分别比较A-D四类地区的风振系数，如图4所示：图4从图4对比可知2012规范四类场地的风振系数均比2001规范明显提高，为比较相对变化规律，对于100米、200米和400米的结构，分别比较了不同高度处风振系数2012规范相比2001规范的百分比差异，以C 类地区为例，仍然假定基本风压0.5KN/m 2，阻尼比5%，高宽比等于5，考虑结构基本周期随高度的变化，假设n T 05.01=，楼层平均层高3米，则取60/1H T =，计算得到不同高度结构的风振系数沿其自身高度的变化差异，如图5所示。
图5针对本算例，结构总高100米时，2012规范风振系数增加6%~19%，结构总高200米时，风振系数增加4%~15%，结构总高400米时，风振系数增加2%~10%，且均呈现出越往高处风振系数相比2001规范增大越多的规律。
另一方面，当结构总高度越高时，风振系数的变化相对越小，例如对于200米和400米的结构，100米高度处的风振系数分别相对2001规范增大12%和6%。
可见2012规范相对增加了结构较高处的风振系数，但相对减小了较高结构的风振系数综合风压高度变化系数和风振系数的影响，仍以C类地区为例，分别比较上述三种不同高度结构的风压标准值的变化（比较条件同上），如图6所示：图6考虑风振后按新旧规范计算的风压标准值沿楼层高度变化规律为先小后大，即在底部楼层略小于2001规范，越往上层，2012规范风荷载增加越快，在上部楼层可能超过2001规范，但也有可能偏小，这与结构总高度等因素有关，例如上例中100米和200米的结构在上部楼层的风压标准值超过2001规范，而400米结构则各层风荷载均偏小，从上文可知当结构越高时，风振系数增加越慢，而风压高度变化系数的变化基本保持一致，因此风荷载增加的越慢。
从上述比较可知考虑风振后的风荷载总值即基底剪力与2001规范相比可能增大也可能减小，图7总结了A-D 四类地区新旧规范基底剪力的百分比差异与结构总高度H 的关系，比较条件同上。
图7多数情况下，当结构高度越小时，基底剪力相应增加越多，随着结构高度增加，基底剪力的增加相应减小，超过一定高度后，2012规范的数值将小于2001规范，即新规范增加了高度较低结构的风荷载，而相对减小了较高结构的风荷载。
例如C 类地区，结构总高小于150米时风荷载总值大于2001规范， 150~200米左右时二者相当，超过200米后则小于2001规范，且结构越高，则风荷载总值相对减小的越多。
对于较低的结构，B 类地区风荷载增大最多，其次为A 类、C 类和D 类，而对于较高的结构，D 类地区风荷载将明显减小，其次为C 类，而A 类和B 类则和2001规范基本相当。
由于风振系数同时还与结构基本周期、阻尼比、高宽比等多项因素有关，而图7只是在固定这些参数条件下的比较，因此只能体现其变化趋势，而具体变化幅度则取决于各项参数的综合作用，例如对于上述C 类地区，同等条件下，阻尼比5%时，当高度为170米时新旧规范风荷载数值大小相当，而阻尼比为2%时，则在300米左右时新旧规范风荷载大小相当。
同样，结构基本周期、基本风压等参数也会产生类似的影响，因此变化规律较为复杂，具体工程的差异需要通过计算来确定。
2 矩形平面结构的横风向风振按2012规范8.5.1条，“对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。
”由于判断是否需要考虑横风向风振的影响比较复杂，涉及建筑的高度、高宽比、结构自振频率及阻尼比等因素，因此条文说明中给出“建筑物高度超过150m 或高宽比大于5的高层建筑可出现较为明显的横风向效应”这一条件。
横风向风振的荷载可以通过风洞试验获得，也可以通过计算获得，2012规范在附录中给出规则结构的计算方法。
有关风洞试验的数据可以通过文件的形式接入PKPM 的计算，这里主要讨论规范附录中提供的计算方法。
2.1 基本计算公式根据规范，对矩形截面高层建筑横风向风振等效风荷载标准值计算公式整理如下：2'L 0LK 1Lz R C gw w +=μ （8） 其中LK w ——横风向风振等效风荷载标准值(2m /kN )；'L C ——横风向风力系数；L R ——横风向共振因子；g ——峰值因子，可取2.5；0w ——基本风压；z μ——风压高度变化系数。
