[分享]聊聊“风荷载”的那些事儿
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(图源:中央气象台)
一、风速与风力
表1 蒲福风力等级表
二、基本风压与基本风速
可见,气象学规范中对风速风力的规定主要考虑时距、测量方式等因素,而土木工程设计规范对基本风速的规定中还包括地面粗糙度类别,重现期等因素。并且,各国在进行土木工程设计时,由于地形、气候等影响,其规范对基本风速的规定也不尽相同。由基本风速的定义可知,基本风速主要涉及到以下几个要素:标准高度、时距、重现期及地面粗糙度类别。下面从这几个方面对基本风速进行分析。
01标准高度
在同一个地点 ,风速随高度而变化 ,越靠近地面 ,风速越小,离地越高 ,风速越大。因此,标准高度的取值对基本风速有很大的影响。各国规范中基本风速标准高度的取值见表2。
表2 各国规范中基本风速标准高度表
国家 | 规范条款 | 标准高度/m |
中国 | GB50009 条款 2.1.22 | 10 |
美国 | 1997 Uniform Building Code Sect—ion 1616;Minimum Design Load—s for Buildings and Other Struct—ures( ASCE7—10 ) Clause 26.2;2012 International Building Code Clause 1609.1.1 | 10 |
英国 | Eurocode 1 : Actions on Structu—res Part 1—4 | 10 |
欧盟 | General Actions-Wind Actions ( BS EN 1991-1-4:2005) | 10 |
德国 | Design Loads for Buildings Wind Loads on Structures Unsusceptibl—e to Vibration(1055-4-2005) Clau—se 7. 1 | 10 |
日本 | AIJ Recommendations for Loads on Buildings Clause A 6.1.3 | 10 |
印度 | Code of Practice for Design Loads(Other Than Earthquake) for Buil—ding and Structures,Part 3 Win—d Loads(IS:875 Part 3 -1987) Clause 5.3.1 | 10 |
俄罗斯 | СНиП 2.01.07-85* Clause 6.4 | 10 |
从表2中可以看出,所列出的各国规范中基本风速的标准高度均为10m。
02时距
时距是确定基本风速的时间间隔,基本风速是规定时距内的平均风速,其数值与时距的取值有很大关系,不同的时距取值可以得到不同的基本风速。表3列出了各国规范基本风速的时距取值。
表3 各国基本风速时距取值表
国家 | 条款 | 时距 | |
中国 | GB50009 | 2.1.22 | 10min |
美国 | UBC 97 | Section 1616 | ------ |
ASCE-7 | 26.2 | 3s | |
IBC 2009 | 1609.1.1 | 3s | |
俄罗斯 | СНиП 2.01.07 | 6.4 | 10min |
英国-欧盟 | BS EN 1991-1-4 | 4.2 | 10min |
德国 | DIN 1055-4 | 7.1 | 10min |
日本 | AIJ Load Code | A 6.1.3 | 10min |
印度 | IS:875 Part 3 | 5.3.1 | 3s |
从上表可见,各国基本风速的时距基本上取为3s或10min,时距不同所求得的基本风速不同。目前不同时距间的基本风速换算主要依据美国标准ASCE 7-10规范(下图),利用t s的平均最大风速与1h平均风速之比曲线对不同时距的风速进行换算。
(图片来源于美国标准ASCE 7-10规范)
03重现期
重现期指的是在长期的气象观察中,出现超过基本风速的情况的间隔时期。重现期不同,基本风速不同,因而重现期在概率意义上体现了结构的安全度。重现期为T年的基本风速,在任一年中只超越该风速一次的概率为1/T。表4列出了各国规范中基本风速的重现期或年超越概率。
表4 各国规范中基本风速的重现期或年超越概率表
国家 | 条款 | 重现期/a (或年超越概率) | |
中国 | GB50009 | 2.1.22 | 50 |
美国 | ASCE-7 | Section 1616 | (0.02) |
俄罗斯 | СНиП 2.01.07 | 6.4 | 50 |
英国-欧盟 | BS EN 1991-1-4 | 0.02 | 50(0.02) |
德国 | DIN 1055-4 | 7.1 | 10 |
日本 | AIJ Load Code | A 6.1.3 | 100 |
印度 | IS:875 Part 3 | 5.3.1 | 50 |
04地面粗糙度类别
风吹过粗糙的地面,能量损失多,风速减小快;相反,风吹过光滑的地面,则风速减小慢 。地表的不同影响着风速的取值,因此有必要为基本风速规定一个共同的标准。目前用于测量风速的风速仪大都安装在气象台,一般离城市中心有一段距离,且周围为空旷平坦地区。表5给出各国规范基本风速的地面粗糙度类别。
表5 各国规范基本风速的地面粗糙度类别表
国家 | 条款 | 类别 | |
中国 | GB50009 | 2.1.22 | B类平坦开阔 |
美国 | UBC 97 | Section 1616 | B类平坦开阔 |
ASCE-7 | 26.2 | C类平坦开阔 | |
IBC 2009 | 1609.1.1 | C类平坦开阔 | |
俄罗斯 | СНиП 2.01.07 | 6.4 | C类平坦开阔 |
英国-欧盟 | BS EN 1991-1-4 | 4.2 | Ⅱ类平坦开阔 |
德国 | DIN 1055-4 | 7.1 | 平坦开阔 |
日本 | AIJ Load Code | A 6.1.3 | 平坦开阔 |
印度 | IS:875 Part 3 | 5.3.1 | Ⅱ类平坦开阔 |
从上表中可以看出,各国规范的基本风速均是在平坦开阔处测得。
德国风荷载规范DIN1055-4第7章中风压与风速的关系与中国基本相同
式中:q为风压,N/m²;ρ=1.25kg/m³;ν为基本风速,m/s。