[分享]结构能抗几级风?中国规范的风荷载安全吗?风速常识收好不谢!

发表于2018-10-24    1232人浏览    1人跟帖    复制链接  只看楼主

来源: CABR建筑抗风研究所,作者:李宏海、陈凯、严亚林,获授权转载。
结构能抗几级风?

结构工程师经常会被问到建筑能抗几级风或者能抗多少级台风?不少工程师对此问题很挠头。为了回答问题,我们先要了解结构设计时采用的“基本风速”是怎么回事,然后需要知道“台风登陆时的最大风力”又是怎么回事,最后还要明白这两个风速之间有什么关系,才能把这个问题弄清楚。
我们先来看“基本风速”。
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012定义基本风速为“按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据,经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速”。
从定义可知,基本风速是在空旷平坦地貌的10m高度处测量得到的,这和气象台站的观测要求相同。而10min平均最大风速,则是指在一次完整的天气过程中,先对每10min长度的风速进行平均,再从这些平均值中挑出最大的。在做风速平均时可以选用10min时间长度,也可以选用2min、1min,从而得出不同的平均最大风速。选定的时间长度,就是所谓的平均风速时距。
不同地貌环境、观测高度和风速时距下得到的风速值是不相同的,因此只有在这些条件都相同的情况下,对风速进行比较才有意义。
再来说“台风登陆时的最大风力”。
台风登陆时,是从海面吹来的,其地貌相当于荷载规范中的A类地貌;而风速时距,则采用的是2min时距。所以“台风登陆时的最大风速”,指的是A类地貌条件下2min平均最大风速。为了方便大家理解,台风强度往往也用蒲福风力等级来表示,如下表。
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可见,荷载规范的“基本风速”和“台风登陆时的最大风速”还不能直接比较,我们还需要了解二者是如何换算的。
第一步,需要将2min平均最大风速换算为10min平均最大风速。根据世界气象组织的指南,对于登陆台风,大致可按下式换算:
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第二步,需要将A类地貌下10m高风速转换为B类地貌10m高度。荷载规范给出的A类地貌10m高度的风压高度变化系数为1.28,对应到风速换算系数为(1.28)^0.5=1.13,因此有:
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这样,我们就可以将“台风登陆时的最大风速”换算为B类地貌10m高度的10min平均最大风速了。
以今年第22号台风“山竹”为例,9月16日它在广东台山海宴镇登陆时的中心附近最大风力为45m/s。换算为10min平均最大风速约为
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再换算到B类地貌是
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现在,我们就可以回答建筑可以抗多少级风的问题了。
我们采用多大的基本风速进行设计,建筑就能抵抗多大的风速作用。基本风速可以用伯努利方程由基本风压计算得到。而能够抵抗多少级的台风,只需要计算基本风速对应到的“台风登陆时的最大风速”是多少就可以了。
据此,可以给出下边这张“建筑抵抗风力表”。
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举例来说,深圳的基本风压为0.75kN/m2,按此标准设计的建筑,可以抵御最大风速34.6m/s(指标准地貌下10min平均)的风速作用,即12级风;也可以抵御登陆时最大风速41.4m/s(指A类地貌2min平均)的台风作用,即13级风。
还需要强调几点。
第一,这里所谓的抵抗多少级风,对于基本风速而言,指的是B类地貌10min平均最大风速;对于台风而言,是指登陆时的最大风力(A类地貌2min平均最大风速)。并不是指瞬时风(阵风)。建筑物能够抵抗的阵风风力等级,要比表中等级更高。阵风的问题将在《之二》中详细说说。
第二,当风速超过了表中所列的风速等级,建筑也未必发生破坏。因为在承载能力极限状态设计时,风荷载还需要乘上1.4的分项系数,大致可以保证建筑物可以抵抗比基本风速高20%的风力作用。
第三,建筑物能抵抗的风力等级,运用基本风压取值即可判断,不需要再考虑其他因素。因为建筑物的风荷载标准值,都是在给定的基本风速条件下所采用的数值。利用建筑表面的风荷载标准值再用伯努利公式反算对应风速的做法是不正确的。同样,根据某建筑某处测得的风速大大超过基本风速,认为风力超过设计标准的判断也不妥当。因为风速在绕经建筑物时,风速完全可能大大超过空旷条件下的风速值,而这种影响已经包含在“体型系数”的影响中了。
 
阵风与平均风

上面我们解释了按荷载规范基本风压设计的建筑能抵抗多少级风(B类地貌10min平均风速)、多少级台风(A类地貌2min平均风速)的问题。本文要讨论的是建筑能抵抗多少级阵风(3s平均最大风速)的问题。
我们先从一段实测的台风时程说起。
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"奥森"路径【图片来源:参考资料4】
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观测位置【图片来源:参考资料4】
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风速时程【图片来源:参考资料4】
上图是1989年强热带气旋奥森的实测结果。测量点在距澳大利亚西海岸130km的海上平台上(距海平面高度36.4m)。图中给出的结果包括:
V600——10min平均风速
V60——1min平均风速
V60,600——10min内的1min平均最大风速
V3,600——10min内的3s平均最大风速
V3,3600——1小时内的3s平均最大风速
风速时程曲线持续3小时,展现了台风眼经过测量点的全过程,其中高达132.6m/s和91m/s的3s阵风,被标注为可疑风速,不能确定是设备故障还是真实出现的阵风风速。
从风速时程曲线可以看到,1min平均风速围绕10min平均风速上下波动,随时间的变化较为频繁;而1小时平均风速(图中未表示),则抹平了台风大的发展趋势,无法反映台风随时间变化的非平稳特征。用10min平均风速描述风速的平均强度是最合适的。
另外,显而易见的是,对风速进行平均时选取的时距越小,得到的最大值就越大(如上图V3,600>V60,600)。我们自然想知道,不同平均时距得到的风速最大值之间,是否可以进行换算?如果能将10min平均最大风速换算为3s平均最大风速,就能够回答建筑能抗几级阵风的问题了。
其实,这一直是气象学和风工程学界关心的问题。遗憾的是,迄今为止人们对“大气湍流”的认知远远谈不上充分,理论模型还很不完备,只能结合实测资料给出半经验的粗略估计。
下图是台风条件下,不同时距平均得到的最大风速与1小时平均风速之间的换算系数(该换算系数称为“阵风因子”)。可以看出,虽然各组数据的趋势一致,时距越短,阵风因子越大,但由于环境条件、气象条件的差异很大,具体数值的分布仍非常离散。比如由1小时平均风速换算到3s阵风,实测得到的阵风因子就在1.25到1.72之间。
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阵风因子【图片来源:参考资料4】
尽管存在种种不确定性,但工程实践中往往需要对阵风和平均风进行换算。美国ASCE/SEI 7-16给出了不同时距的平均最大风速与1小时平均风速的转换曲线,可供设计人员在时距转换时参考。
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阵风因子【图片来源:参考资料3】
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最大风速的换算系数,如下表所示:
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上图的实线就是将这些数据绘制成曲线得到的结果,虚线给出的是用于飓风(美国对“台风”的称呼)时距换算的ESDU曲线。该曲线可按以下过程进行计算:
首先计算t秒平均风速对1小时平均风速的穿越率:
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再计算t秒平均风速的均方根与实际均方根的比值
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然后计算峰值因子
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最后得到1小时平均风到t秒平均最大风速的阵风因子
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根据Durst曲线,由10min平均最大风速换算到3s阵风的阵风因子可用下式计算:
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虽然该数值不一定具有普适意义,但用以估算风力等级范围是没问题的。对比蒲福风级表,我们就可以知道建筑能抵抗的阵风级别大致比平均风速要高2~3个级别。比如按照基本风压0.40kN/m2设计的建筑物,能够抵抗10级10min平均风速的作用,也可以抵抗12级3s阵风的作用(参见结构能抗几级风——结构工程师应当知道的风速常识之一的《建筑抵抗风力表》和《蒲福风力等级表》);对于深圳正规设计的建筑物,能够抵抗12级10min平均风速的作用,也可以抵抗15级3s阵风的作用。本月山竹台风登陆期间,在深圳大鹏新区罗屋田水库测得的最大阵风风速为15级(46.5米/秒),与设计风速基本相当。
需要注意的是,由于风速时距转换存在很大不确定性,结构设计时应当尽量避免对风速时距进行换算。例如:中美规范对基本风速的定义不同,如果采用中国规范设计美国的建筑,尽量避免直接用美国ASCE7-16给出的基本风速(用3s阵风定义)进行时距换算。最好对当地的10min平均年最大风速进行统计,得出符合中国规范要求的基本风速。
那么,各国规范的基本风速是如何定义的?用阵风定义基本风速的规范,其风荷载取值是否更大呢?
中国规范的风荷载安全吗

经常有人问:“美国用3s阵风做设计,而中国规范是用10min平均风,这样安全吗?”。的确,通过阵风与平均风——结构工程师应当知道的风速常识之二的介绍我们可以了解,3s最大阵风要比10min平均最大风速高很多,用10min平均风速作为基本风速会不会低估风荷载?
先说结论。虽然各国规范的基本风速的定义不同,但殊途同归,风荷载的最终计算结果并无本质差异。不必担心中国规范采用“10min平均最大风速”作为基本风速,给出的风荷载就不安全。而在具体的参数取值上,各国规范虽然存在差异,但结构设计规范是一个体系,不宜根据某些参数的量值大小直接得出“谁安全、谁不安全”的结论。
接下来我们再来详细分析原因。
我们先来了解下各国规范关于基本风速的定义。基本风速的定义通常包括:地貌类别、观测高度、风速平均时距和重现期这几个要素,下表对比了这些要素的差异。
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从上表的对比可以看到,各国规范对风速测量环境的要求是一致的,都是空旷平坦地貌10m高度,只是对地貌的分类标记有所不同(如B、II或2等),尤需注意的是美国ASCE定义的B、C、D三类地貌,相当于中国的C、B、A,排列顺序是相反的。
各国规范在风速时距上则有两种不同规定,中国、欧洲和日本采用10min平均最大风速作为基本风速;美国和澳洲则采用3s阵风作为基本风速。用这两种不同的基本风速,在计算风荷载值时会有什么差别呢?我们从中美规范的风荷载计算式中去寻找答案。
1. 主要受力结构
中国规范规定,对于主要受力结构,风荷载标准值通过下式计算
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美国规范规定,对于封闭房屋等主要受力结构,风荷载值通过下式计算
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公式中的q是3s阵风对应的风速压,按下式计算
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将两本规范中的所有参数按物理含义的分类,罗列如下:
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中美风荷载计算公式中,最重要的差别是以下三点:
1) 中国规范不考虑风向折减,在计算主体结构风荷载时也不考虑内部风压;
2) 10m高风速压的定义不同,中国和美国分别采用了平均风和阵风对应的风速压;
3) 中国的风振系数代表的是基于平均风荷载的放大倍数,而美国的阵风效应因子则是基于阵风荷载的调整系数。
除此之外,两本规范的其他参数在物理含义大致匹配,取值差异相对较小。上述第1)点的影响本文暂不讨论,第2)、第3)点的区别则表明:对于主要受力结构,中国规范的风荷载是用平均风荷载乘以风振系数βz得到的,美国规范的风荷载则是用阵风荷载乘以阵风效应因子G得到的。
很显然,对于同样的设计条件,阵风风压远高于平均风压;如果阵风效应因子的量值和风振系数相当,则中国规范计算的风荷载值就可能远小于美国规范。
我们以ASCE给出的高层建筑算例进行简单比较。该建筑高183m,平面尺寸30m*30m,地貌为美国规范的B类(相当于中国的C类)。对于不同的自振频率和两种阻尼比(1%和2%),其阵风效应因子如下图所示:
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典型高层建筑的阵风效应因子,图片来源【参考资料2】
中国规范风振系数的计算原理与美国不同,得到的风振系数是沿高度变化的。为便于比较,以基底弯矩为等效目标(与ASCE的方法相同),得出了“整体风振系数”的值,如下图所示。
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典型高层建筑的风振系数
对比“阵风效应因子”和“风振系数”的曲线即可发现,对于这栋高层建筑来说,风振系数值大约是阵风效应因子的2倍左右。可见,尽管阵风荷载远高于平均风荷载,但与阵风荷载配套使用的阵风效应因子是远低于风振系数的。所以中美规范最终计算得到的结果不会有本质差异。
2. 围护结构
中国规范的围护结构风荷载计算公式与主要受力结构大同小异,只是“风振系数”用“阵风系数”代替:
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阵风系数是在考虑平均风与阵风差异后根据经验公式计算得出的,系数的大小与地貌和高度有关,但都远大于1.0。
美国规范计算围护结构风荷载的表达式如下
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其中的括号表示“阵风效应因子”与“压力系数”应当看做一个参数(GCp),不允许拆分后取值。因此,可以认为:对于围护结构,中国规范的风荷载是用平均风荷载乘以阵风系数βgz得到的,美国规范的风荷载则是直接采用阵风荷载。
我们以常见的矩形截面房屋的迎风面(暂不考虑内部风压)为例做简单说明:
中国规范规定,矩形截面房屋的迎风面的体型系数1.0,据此得出平均风压,再乘以阵风系数得出风荷载标准值。美国规范则规定(见下图),矩形截面房屋的迎风面的(GCp)=0.9,再乘以3s阵风对应的风速压直接得到风荷载标准值。由于中国的阵风系数远大于1.0,所以两本规范计算得到的风荷载值不会有本质差异。
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矩形截面房屋的压力系数 
综合主要受力结构和围护结构的风荷载计算公式的比较,我们可以发现:采用平均风作为基本风速的中国规范,其“风振系数”和“阵风系数”是远大于1.0的,其作用是将平均风荷载放大;而采用阵风作为基本风速的美国规范,其“阵风效应因子”在1.0左右,其作用是考虑风振效应和尺寸效应,对阵风荷载进行调整。
其实,仅就衡量风力强度而言,10min平均最大风速是更加一致、稳定的指标;3s最大阵风受到测量仪器频响特性的影响,相对而言不确定性更大,有兴趣的读者可以参阅参考资料6和7。
最后,细心的读者可能会注意到基本风速对比表中的重现期一栏,美国和澳洲没有给出具体数值。这是因为其他规范对基本风速规定了统一的重现期,再根据不同的设计条件,引入重要性系数、分项系数等参数对风荷载进行调整;与此不同,美国和澳洲规范直接根据不同的设计条件取不同的重现期,所以基本风速有多种重现期、多种取值。
所谓重现期也就是人们常说的“多少年一遇”,那么50年一遇就是“50年遇到一次”么?欢迎继续关注结构工程师应当知道的风速常识~


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