結(jié)構(gòu)能抗幾級(jí)風(fēng)——結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)知道的風(fēng)速常識(shí)之一

結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常會(huì)被問(wèn)到建筑能抗幾級(jí)風(fēng)或者能抗多少級(jí)臺(tái)風(fēng)?不少工程師對(duì)此問(wèn)題很撓頭。為了回答問(wèn)題，我們先要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的“基本風(fēng)速”是怎么回事，然后需要知道“臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)力”又是怎么回事，最后還要明白這兩個(gè)風(fēng)速之間有什么關(guān)系，才能把這個(gè)問(wèn)題弄清楚。

我們先來(lái)看“基本風(fēng)速”。

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

從定義可知，基本風(fēng)速是在空曠平坦地貌的10m高度處測(cè)量得到的，這和氣象臺(tái)站的觀測(cè)要求相同。而10min平均最大風(fēng)速，則是指在一次完整的天氣過(guò)程中，先對(duì)每10min長(zhǎng)度的風(fēng)速進(jìn)行平均，再?gòu)倪@些平均值中挑出最大的。在做風(fēng)速平均時(shí)可以選用10min時(shí)間長(zhǎng)度，也可以選用2min、1min，從而得出不同的平均最大風(fēng)速。選定的時(shí)間長(zhǎng)度，就是所謂的平均風(fēng)速時(shí)距。

不同地貌環(huán)境、觀測(cè)高度和風(fēng)速時(shí)距下得到的風(fēng)速值是不相同的，因此只有在這些條件都相同的情況下，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行比較才有意義。

再來(lái)說(shuō)“臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)力”。

臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，是從海面吹來(lái)的，其地貌相當(dāng)于荷載規(guī)范中的A類(lèi)地貌;而風(fēng)速時(shí)距，則采用的是2min時(shí)距。所以“臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)速”，指的是A類(lèi)地貌條件下2min平均最大風(fēng)速。為了方便大家理解，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度往往也用蒲福風(fēng)力等級(jí)來(lái)表示，如下表。

可見(jiàn)，荷載規(guī)范的“基本風(fēng)速”和“臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)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(fēng)速換算為10min平均最大風(fēng)速。根據(jù)世界氣象組織的指南，對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)，大致可按下式換算：

第二步，需要將A類(lèi)地貌下10m高風(fēng)速轉(zhuǎn)換為B類(lèi)地貌10m高度。荷載規(guī)范給出的A類(lèi)地貌10m高度的風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.28，對(duì)應(yīng)到風(fēng)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(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)速”換算為B類(lèi)地貌10m高度的10min平均最大風(fēng)速了。

以今年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”為例，9月16日它在廣東臺(tái)山海宴鎮(zhèn)登陸時(shí)的中心附近最大風(fēng)力為45m/s。換算為10min平均最大風(fēng)速約為

再換算到B類(lèi)地貌是

現(xiàn)在，我們就可以回答建筑可以抗多少級(jí)風(fēng)的問(wèn)題了。

我們采用多大的基本風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)，建筑就能抵抗多大的風(fēng)速作用?；撅L(fēng)速可以用伯努利方程由基本風(fēng)壓計(jì)算得到。而能夠抵抗多少級(jí)的臺(tái)風(fēng)，只需要計(jì)算基本風(fēng)速對(duì)應(yīng)到的“臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)速”是多少就可以了。

據(jù)此，可以給出下邊這張“建筑抵抗風(fēng)力表”。

舉例來(lái)說(shuō)，深圳的基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的建筑，可以抵御最大風(fēng)速34.6m/s(指標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)的風(fēng)速作用，即12級(jí)風(fēng);也可以抵御登陸時(shí)最大風(fēng)速41.4m/s(指A類(lèi)地貌2min平均)的臺(tái)風(fēng)作用，即13級(jí)風(fēng)。

還需要強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)。

第一，這里所謂的抵抗多少級(jí)風(fēng)，對(duì)于基本風(fēng)速而言，指的是B類(lèi)地貌10min平均最大風(fēng)速;對(duì)于臺(tái)風(fēng)而言，是指登陸時(shí)的最大風(fēng)力(A類(lèi)地貌2min平均最大風(fēng)速)。并不是指瞬時(shí)風(fēng)(陣風(fēng))。建筑物能夠抵抗的陣風(fēng)風(fēng)力等級(jí)，要比表中等級(jí)更高。陣風(fēng)的問(wèn)題將在《之二》中詳細(xì)說(shuō)說(shuō)。

第二，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)了表中所列的風(fēng)速等級(jí)，建筑也未必發(fā)生破壞。因?yàn)樵诔休d能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載還需要乘上1.4的分項(xiàng)系數(shù)，大致可以保證建筑物可以抵抗比基本風(fēng)速高20%的風(fēng)力作用。

第三，建筑物能抵抗的風(fēng)力等級(jí)，運(yùn)用基本風(fēng)壓取值即可判斷，不需要再考慮其他因素。因?yàn)榻ㄖ锏娘L(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，都是在給定的基本風(fēng)速條件下所采用的數(shù)值。利用建筑表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值再用伯努利公式反算對(duì)應(yīng)風(fēng)速的做法是不正確的。同樣，根據(jù)某建筑某處測(cè)得的風(fēng)速大大超過(guò)基本風(fēng)速，認(rèn)為風(fēng)力超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的判斷也不妥當(dāng)。因?yàn)轱L(fēng)速在繞經(jīng)建筑物時(shí)，風(fēng)速完全可能大大超過(guò)空曠條件下的風(fēng)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(jí)》，2006

QX/T 51-2007《地面氣象觀測(cè)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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