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【钢结构·技术】风力等级和风压

2022-06-09 16:45:58

相信身为结构工程师的你也曾思考过这样一个问题:《建筑结构荷载规范》中的基本风压对应的是几级风?下文我们将围绕这个问题进行简单论述。


风速和风压

风速和风压之间的关系可以用下面这个式子表达:        1654764748813030.png  (1)


式中,图片为风压;图片为空气密度;图片为风速。

    空气密度与海拔、气压、温度等诸多因素相关,所以理论上风速和风压的对应关系是相当复杂的。为了能够得到统一的相关性,在《建筑结构荷载规范》中将空气密度统一为1.25kg/m3,因此,式(1)简化为:          2.png     (2)


客观上讲,其它因素对空气密度的影响还是比较明显的,如温度和空气密度的关系如下图:

1654764833166084.png


与空气密度为1.25kg/m3对应的空气温度约为10 0C。


风力等级和风速

    风力是指风吹到物体上所表现出的力量大小。根据《台风业务和服务规定》,以风吹到地面或水面的物体上所产生的各种现象为依据,把风力的大小分为18个等级,Z小是0级,Z大为17级。比较常用是“蒲福风力等级表“,如下表:

   

     从上表中的信息可见每一个风力等级均对应一个风速范围,如12级风力对应的风速范围为32.7~36.9m/s。根据前文讲到的风速和风压的关系公式,可以得到12级风力对应的风压,但在这之前还需要弄清楚一个问题,便是这个风速的测试条件。


《建筑结构荷载规范》中的风速是离地10米处,10分钟平均年Z大风速。


《热带气旋等级》(GB/T 19201-2006)规定的蒲福风力中的风速是指离地10米处,以正点前2分钟至正点内的平均风速。


    通过上述两者的比较,不难得到以下结论: (1) 两者均以离地10米处为测试点;(2) 两者均为一个时间段内的平均风速;(3) 两者的测试时距不同,《建筑结构荷载规范》的风速为10分钟持时内平均风速,而风力等级对应的风速为2分钟持时内的风速。

因此,想要得到两者的对应关系,还得首先弄清楚测试时距与平均风速之间的关系。


时距和平均风速

从概念上判断,不难理解较短的时距内测试得到的平均风速较高,但要想得到两者之间的定量对应关系,还是需要基于一定的试验或理论。

Durst在1960发表的论文中,根据实测资料给出了1小时平均风速换算为不同时距平均Z大风速的换算系数,如下表所示:

6.png


美国ASCE也给出了不同时距的平均Z大风速与1小时平均风速的转换曲线,如下图:

7.png

上图中实线是Durst曲线,虚线是用于飓风时距换算的ESDU曲线。


两条曲线得到的换算关系有所不同,按照ESDU曲线的换算主要流程如下:

(1)t秒平均风速对1小时平均风速穿越率  8.png                (3)

(2)计算t秒平均风速的均方根与实际均方根的比值  9.png         (4)

(3)计算峰值因子  10.png          (5)

(4)1小时平均风转换到t秒平均Z大风速的阵风因子   11.png            (6)


(5) 由2分钟平均Z大风速换算到10分钟阵风的阵风因子  12.png        (7)


算例

求12级台风对应的基本风压?

根据《台风业务和服务规定》,12级台风对应的风速为32.7~36.9m/s2,

(1)按照ESDU曲线换算  13.png

12级台风对应的10分钟平均风速为30.7~34.7 m/s2,转为对应的风压为0.59~0.85kN/m2。

(2)按照Durst曲线换算   14.png

12级台风对应的10分钟平均风速为29.1~32.8 m/s2,转为对应的风压为0.53~0.67kN/m2。


 笔者观点

     通过上述方法,我们似乎找到了风压和风力等级之间的定量关系。然而,由于风速与时距的关系尚存在明显不确定性(还有一些资料给出了不同的对应关系),我们在结构设计时还是应尽量避免针对不同时距的风速转换,尽量采用前后统一的规范体系,例如美国ASCE给出的基本风速是基于3秒的阵风,而我们的《建筑结构荷载规范》是基于10分钟平均年Z大风速,两者之间存在根本上的区别。

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