結(jié)構(gòu)能抗幾級風——結(jié)構(gòu)工程師應當知道的風速常識之一

結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常會被問到建筑能抗幾級風或者能抗多少級臺風?不少工程師對此問題很撓頭。為了回答問題，我們先要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的“基本風速”是怎么回事，然后需要知道“臺風登陸時的最大風力”又是怎么回事，最后還要明白這兩個風速之間有什么關(guān)系，才能把這個問題弄清楚。

我們先來看“基本風速”。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012定義基本風速為“按當?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min平均的風速觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計得出50年一遇最大值確定的風速”。

從定義可知，基本風速是在空曠平坦地貌的10m高度處測量得到的，這和氣象臺站的觀測要求相同。而10min平均最大風速，則是指在一次完整的天氣過程中，先對每10min長度的風速進行平均，再從這些平均值中挑出最大的。在做風速平均時可以選用10min時間長度，也可以選用2min、1min，從而得出不同的平均最大風速。選定的時間長度，就是所謂的平均風速時距。

不同地貌環(huán)境、觀測高度和風速時距下得到的風速值是不相同的，因此只有在這些條件都相同的情況下，對風速進行比較才有意義。

再來說“臺風登陸時的最大風力”。

臺風登陸時，是從海面吹來的，其地貌相當于荷載規(guī)范中的A類地貌;而風速時距，則采用的是2min時距。所以“臺風登陸時的最大風速”，指的是A類地貌條件下2min平均最大風速。為了方便大家理解，臺風強度往往也用蒲福風力等級來表示，如下表。

可見，荷載規(guī)范的“基本風速”和“臺風登陸時的最大風速”還不能直接比較，我們還需要了解二者是如何換算的。

第一步，需要將2min平均最大風速換算為10min平均最大風速。根據(jù)世界氣象組織的指南，對于登陸臺風，大致可按下式換算：

第二步，需要將A類地貌下10m高風速轉(zhuǎn)換為B類地貌10m高度。荷載規(guī)范給出的A類地貌10m高度的風壓高度變化系數(shù)為1.28，對應到風速換算系數(shù)為(1.28)^0.5=1.13，因此有：

這樣，我們就可以將“臺風登陸時的最大風速”換算為B類地貌10m高度的10min平均最大風速了。

以今年第22號臺風“山竹”為例，9月16日它在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸時的中心附近最大風力為45m/s。換算為10min平均最大風速約為

再換算到B類地貌是

現(xiàn)在，我們就可以回答建筑可以抗多少級風的問題了。

我們采用多大的基本風速進行設(shè)計，建筑就能抵抗多大的風速作用?；撅L速可以用伯努利方程由基本風壓計算得到。而能夠抵抗多少級的臺風，只需要計算基本風速對應到的“臺風登陸時的最大風速”是多少就可以了。

據(jù)此，可以給出下邊這張“建筑抵抗風力表”。

舉例來說，深圳的基本風壓為0.75kN/m2，按此標準設(shè)計的建筑，可以抵御最大風速34.6m/s(指標準地貌下10min平均)的風速作用，即12級風;也可以抵御登陸時最大風速41.4m/s(指A類地貌2min平均)的臺風作用，即13級風。

還需要強調(diào)幾點。

第一，這里所謂的抵抗多少級風，對于基本風速而言，指的是B類地貌10min平均最大風速;對于臺風而言，是指登陸時的最大風力(A類地貌2min平均最大風速)。并不是指瞬時風(陣風)。建筑物能夠抵抗的陣風風力等級，要比表中等級更高。陣風的問題將在《之二》中詳細說說。

第二，當風速超過了表中所列的風速等級，建筑也未必發(fā)生破壞。因為在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，風荷載還需要乘上1.4的分項系數(shù)，大致可以保證建筑物可以抵抗比基本風速高20%的風力作用。

第三，建筑物能抵抗的風力等級，運用基本風壓取值即可判斷，不需要再考慮其他因素。因為建筑物的風荷載標準值，都是在給定的基本風速條件下所采用的數(shù)值。利用建筑表面的風荷載標準值再用伯努利公式反算對應風速的做法是不正確的。同樣，根據(jù)某建筑某處測得的風速大大超過基本風速，認為風力超過設(shè)計標準的判斷也不妥當。因為風速在繞經(jīng)建筑物時，風速完全可能大大超過空曠條件下的風速值，而這種影響已經(jīng)包含在“體型系數(shù)”的影響中了。

參考資料

GB50009-2012《 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，2011

GB/T32935-2016《全球熱帶氣旋》，2016

GB/T19201-2006《熱帶氣旋等級》，2006

QX/T 51-2007《地面氣象觀測規(guī)范》，2007

WorldMeteorological Organization, Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting, 2017

WorldMeteorological Organization, Guide to Meteorological Instruments and Methods ofObservation, 2017

WorldMeteorological Organization, Guidelines for Converting between Various WindAveraging Periods in Tropical Cyclone Conditions, 2010

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