建筑结构丨“风荷载”的那些事儿-

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建筑结构丨“风荷载”的那些事儿

阅读量：3829578 2019-10-27

来源：土木穹庐。
“风荷载”的那些事儿

(图源：中央气象台)
2019年8月10日超强台风“利奇马”袭击我国东部地区造成了人员伤亡和巨大的财产损失。仅仅过去两个月，台风“米娜”又于10月2日20时10分在浙江省舟山市普陀区沿海登陆，所过之处房屋倒塌、农作物受灾，还伴有洪水泥石流等次生自然灾害，带来了新的人员伤亡和经济损失。由此可见，风灾是对人类危害很大的自然灾害。长期以来，世界各国致力于风荷载的研究，争取尽可能准确地估计风荷载，为土木工程抗风设计提供合理的依据。
一、风速与风力

在气象学中根据《地面气象观测规范风速和风向》GB/T35227-2017中规定风速风力观测高度不应低于距地面10m，一般为10~12m。风速观测时距为10min，风力等级一般在0~12级，记录时若使用仪器观测，则记录风速值；若采用人工目力观测，则记录风力级数并按蒲福风力等级表（表1）转换为对应的风速中数值。
表1 蒲福风力等级表

二、基本风压与基本风速

在土木工程设计中风荷载采用基本风压作为直接设计依据，而基本风压主要由基本风速确定，由《建筑结构荷载规范》中可知，基本风压计算公式根据的是经典的贝努利公式

式中：ω0为基本风压，N/m?；ρ为空气密度，kg/m?；ν0为基本风速，m/s。基本风速则为当地空旷平坦地面（规范中地面粗糙程度B类）上10m高度处50年一遇10min内的平均最大风速。
可见，气象学规范中对风速风力的规定主要考虑时距、测量方式等因素，而土木工程设计规范对基本风速的规定中还包括地面粗糙度类别，重现期等因素。并且，各国在进行土木工程设计时，由于地形、气候等影响，其规范对基本风速的规定也不尽相同。由基本风速的定义可知，基本风速主要涉及到以下几个要素：标准高度、时距、重现期及地面粗糙度类别。下面从这几个方面对基本风速进行分析。

01标准高度
  在同一个地点 ,风速随高度而变化 ,越靠近地面 ,风速越小，离地越高 ,风速越大。因此,标准高度的取值对基本风速有很大的影响。各国规范中基本风速标准高度的取值见表2。
表2 各国规范中基本风速标准高度表
国家
规范条款
标准高度/m
中国
GB50009 条款 2.1.22
10
美国
1997 Uniform Building Code Sect—ion 1616;Minimum Design Load—s for Buildings and Other Struct—ures( ASCE7—10 ) Clause 26.2;2012 International Building    Code Clause 1609.1.1
10
英国
Eurocode 1 : Actions on Structu—res Part   1—4
10
欧盟
General Actions-Wind Actions
( BS EN 1991-1-4：2005）
10
德国
Design Loads for Buildings Wind Loads on Structures Unsusceptibl—e to Vibration（1055-4-2005) Clau—se 7. 1
10
日本
AIJ Recommendations for   Loads
on Buildings Clause A 6.1.3
10
印度
Code of Practice for Design Loads(Other Than Earthquake) for Buil—ding and Structures,Part 3 Win—d   Loads(IS:875 Part 3 -1987) Clause 5.3.1
10
俄罗斯
СНиП 2.01.07-85* Clause 6.4
10
从表2中可以看出，所列出的各国规范中基本风速的标准高度均为10m。

02时距
时距是确定基本风速的时间间隔,基本风速是规定时距内的平均风速,其数值与时距的取值有很大关系,不同的时距取值可以得到不同的基本风速。表3列出了各国规范基本风速的时距取值。
表3 各国基本风速时距取值表
国家
规范
条款
时距
中国
GB50009
2.1.22
10min
美国
UBC 97
Section 1616
------
ASCE-7
26.2
3s
IBC 2009
1609.1.1
3s
俄罗斯
СНиП 2.01.07
6.4
10min
英国-欧盟
BS EN 1991-1-4
4.2
10min
德国
DIN 1055-4
7.1
10min
日本
AIJ Load Code
A 6.1.3
10min
印度
IS:875 Part 3
5.3.1
3s
从上表可见，各国基本风速的时距基本上取为3s或10min，时距不同所求得的基本风速不同。目前不同时距间的基本风速换算主要依据美国标准ASCE 7-10规范（下图），利用t s的平均最大风速与1h平均风速之比曲线对不同时距的风速进行换算。

(图片来源于美国标准ASCE 7-10规范）

03重现期
重现期指的是在长期的气象观察中，出现超过基本风速的情况的间隔时期。重现期不同，基本风速不同，因而重现期在概率意义上体现了结构的安全度。重现期为T年的基本风速，在任一年中只超越该风速一次的概率为1/T。表4列出了各国规范中基本风速的重现期或年超越概率。
表4 各国规范中基本风速的重现期或年超越概率表
国家
规范
条款
重现期/a
（或年超越概率）
中国
GB50009
2.1.22
50
美国
ASCE-7
Section 1616
（0.02）
俄罗斯
СНиП 2.01.07
6.4
50
英国-欧盟
BS EN 1991-1-4
0.02
50（0.02）
德国
DIN 1055-4
7.1
10
日本
AIJ Load Code
A 6.1.3
100
印度
IS:875 Part 3
5.3.1
50

04地面粗糙度类别
风吹过粗糙的地面，能量损失多，风速减小快；相反，风吹过光滑的地面，则风速减小慢。地表的不同影响着风速的取值,因此有必要为基本风速规定一个共同的标准。目前用于测量风速的风速仪大都安装在气象台,一般离城市中心有一段距离,且周围为空旷平坦地区。表5给出各国规范基本风速的地面粗糙度类别。
表5 各国规范基本风速的地面粗糙度类别表
国家
规范
条款
类别
中国
GB50009
2.1.22
B类平坦开阔
美国
UBC 97
Section 1616
B类平坦开阔
ASCE-7
26.2
C类平坦开阔
IBC 2009
1609.1.1
C类平坦开阔
俄罗斯
СНиП 2.01.07
6.4
C类平坦开阔
英国-欧盟
BS EN 1991-1-4
4.2
Ⅱ类平坦开阔
德国
DIN 1055-4
7.1
平坦开阔
日本
AIJ Load Code
A 6.1.3
平坦开阔
印度
IS:875 Part 3
5.3.1
Ⅱ类平坦开阔
从上表中可以看出,各国规范的基本风速均是在平坦开阔处测得。

德国风荷载规范DIN1055-4第7章中风压与风速的关系与中国基本相同

式中：q为风压，N/m?；ρ=1.25kg/m?；ν为基本风速，m/s。
美国建筑结构最小设计荷载规范ASCE7-10中，速度压力计算公式为

式中：qz为速度压力N/m?；ν为基本风速，m/s；Kz为速度压暴露系数；KzT为地形系数；Kd为风向系数，若不考虑系数，基本风压部分是与中国、德国基本相同的。其他国家的规范对于基本风压的公式也基本如此，都是基于贝努利公式得出，根本的差异在于基本风速的定义，通过分析美国、欧洲等国的风荷载规范中对基本风速定义方面的差异，结果表明各国在设计风速的差异主要体现在基本风速的时距和重现期上，而且各国规范均自成体系，在转换时切不可断章取义，简单套用。基本风速如果选取不当会造成严重后果,或导致结构的经济性较差,甚至难以接受,或存在严重的安全隐患。