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(来源: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,造成人员伤亡和巨大财产损失。仅过去两个月,台风“米娜”于10月2日20时10分在浙江省舟山市普陀区沿海登陆,房屋倒塌,农作物受灾,并伴有洪水、泥石流等次生自然灾害,带来新的人员伤亡和经济损失。可见风灾是一种对人类危害极大的自然灾害。长期以来,世界各国都致力于风荷载的研究,试图尽可能准确地估算风荷载,为土木工程的抗风设计提供合理的依据。
一、风速和风力
气象学上,根据GB/T35227-2017规定的风速和风向,风速和风力的观测高度离地面不应低于10m,一般为10~12m。风速观测时间间隔为10min,风力一般为0~12级。如果仪器用于观测,风速值会被记录下来。如果采用人工目视观测,记录风力级数,根据蒲福风力等级(表1)换算成相应的中值风速。
表1蒲福风功率额定值表
二、基本风压和基本风速
在土木工程设计中,基本风压作为直接的设计依据,基本风压主要由基本风速决定。根据建筑结构荷载规范,基本的风压计算公式是基于经典的伯努利公式。
其中:ω0为基本风压,n/m;ρ 空气体密度,kg/m;ν0为基本风速,m/s,基本风速为当地空开阔平坦地面(规范中地面粗糙度B级)10m高度50年一遇10分钟内的平均最大风速。
可以看出,气象规范中关于风速和风力的规定主要考虑时间间隔和测量方法等因素,而土木工程设计规范中关于基本风速的规定还包括地面粗糙度类别和重现期等因素。而且各国在设计土木工程时,由于地形和气候的影响,对基本风速的规定也不一样。根据基本风速的定义,基本风速主要涉及以下要素:标准高度、时间间隔、重现期和地面粗糙度类别。基本风速从以下几个方面分析。
01标准高度
在同一个地方,风速随高度而变化。离地面越近,风速越小,离地面越高,风速越大。因此,标准高度的取值对基本风速影响很大。国家规范中基本风速标准高度值见表2。
02小时间隔
时间间隔是确定基本风速的时间间隔,基本风速是规定时间间隔内的平均风速,其值与时间间隔的值有很大关系。不同的时间间隔可以得到不同的基本风速。表3列出了国家规范中基本风速的时间间隔值。
从上表可以看出,各国基本风速的时间间隔基本都是3s或10min,不同时间间隔得到的基本风速是不一样的。目前基本风速在不同时段的换算主要依据美国标准ASCE 7-10(下图),利用t s的平均最大风速与1h的平均风速的比值曲线来换算不同时段的风速。
(图片来自美标ASCE 7-10规范)
03重复周期
重现期是指在长期气象观测中超过基本风速的间隔期。重现期不同,基本风速也不同,所以重现期反映的是结构在概率意义上的安全程度。重现期为T年的基本风速,在任何一年中仅超过该风速一次的概率为1/t,表4列出了国家规范中基本风速的重现期或年超过概率。
04地面粗糙度类别
当风吹过粗糙的地面时,能量损失很大,风速迅速降低。相反,当风吹过光滑的地面时,风速会慢慢降低。陆面的差异影响风速的取值,因此有必要制定一个共同的基本风速标准。目前用于测量风速的风速计大多安装在气象站内,一般离市中心有一段距离,周围都是空平坦的区域。表5显示了不同国家基本风速的地面粗糙度类型。
德国风荷载规范DIN1055-4第7章风压与风速的关系与我国基本一致。
式中:Q为风压,n/m;ρ= 1.25kg/m;ν为基本风速,m/s。
在美国建筑结构最小设计荷载规范ASCE7-10中,速度和压力的计算公式为
式中:qz为速度压力n/m;ν为基本风速,m/s;k是速度和压力的暴露系数;KzT是地形系数;Kd是风向系数。如果不考虑系数,基本风压与中德基本相同。其他国家规范中基本风压的公式基本相同,都是基于伯努利公式。根本的区别在于基本风速的定义。通过分析美国、欧洲等国家风荷载规范中基本风速定义的差异,结果表明各国设计风速的差异主要体现在基本风速的时间间隔和重现期上。此外,每个国家的法规都是自成一体的,因此不能断章取义,简单套用。如果基本风速选择不当,会造成严重的后果,或者结构的经济性较差,甚至无法接受,或者存在严重的安全隐患。
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