(圖源：中央氣象臺)
2019年8月10日超強颱風“利奇馬”襲擊我國東部地區造成了人員傷亡和巨大的財產損失。僅僅過去兩個月，颱風“米娜”又於10月2日20時10分在浙江省舟山市普陀區沿海登陸，所過之處房屋倒塌、農作物受災，還伴有洪水泥石流等次生自然災害，帶來了新的人員傷亡和經濟損失。由此可見，風災是對人類危害很大的自然災害。長期以來，世界各國致力於風荷載的研究，爭取儘可能準確地估計風荷載，為土木工程抗風設計提供合理的依據。
一、風速與風力
在氣象學中根據《地面氣象觀測規範 風速和風向》GB/T35227-2017中規定風速風力觀測高度不應低於距地面10m，一般為10~12m。風速觀測時距為10min，風力等級一般在0~12級，記錄時若使用儀器觀測，則記錄風速值；若採用人工目力觀測，則記錄風力級數並按蒲福風力等級表（表1）轉換為對應的風速中數值。
表1 蒲福風力等級表
二、基本風壓與基本風速
在土木工程設計中風荷載採用基本風壓作為直接設計依據，而基本風壓主要由基本風速確定，由《建築結構荷載規範》中可知，基本風壓計算公式根據的是經典的貝努利公式
式中：ω0為基本風壓，N/m²；ρ為空氣密度，kg/m³；ν0為基本風速，m/s。基本風速則為當地空曠平坦地面（規範中地面粗糙程度B類）上10m高度處50年一遇10min內的平均最大風速。
可見，氣象學規範中對風速風力的規定主要考慮時距、測量方式等因素，而土木工程設計規範對基本風速的規定中還包括地面粗糙度類別，重現期等因素。並且，各國在進行土木工程設計時，由於地形、氣候等影響，其規範對基本風速的規定也不盡相同。由基本風速的定義可知，基本風速主要涉及到以下幾個要素：標準高度、時距、重現期及地面粗糙度類別。下面從這幾個方面對基本風速進行分析。
01標準高度
在同一個地點 ,風速隨高度而變化 ,越靠近地面 ,風速越小，離地越高 ,風速越大。因此,標準高度的取值對基本風速有很大的影響。各國規範中基本風速標準高度的取值見表2。
02時距
時距是確定基本風速的時間間隔,基本風速是規定時距內的平均風速,其數值與時距的取值有很大關係,不同的時距取值可以得到不同的基本風速。表3列出了各國規範基本風速的時距取值。
從上表可見，各國基本風速的時距基本上取為3s或10min，時距不同所求得的基本風速不同。目前不同時距間的基本風速換算主要依據美國標準ASCE 7-10規範（下圖），利用t s的平均最大風速與1h平均風速之比曲線對不同時距的風速進行換算。
(圖片來源於美國標準ASCE 7-10規範）
03重現期
重現期指的是在長期的氣象觀察中，出現超過基本風速的情況的間隔時期。重現期不同，基本風速不同，因而重現期在概率意義上體現了結構的安全度。重現期為T年的基本風速，在任一年中只超越該風速一次的概率為1/T。表4列出了各國規範中基本風速的重現期或年超越概率。
04地面粗糙度類別
風吹過粗糙的地面，能量損失多，風速減小快；相反，風吹過光滑的地面，則風速減小慢 。地表的不同影響著風速的取值,因此有必要為基本風速規定一個共同的標準。目前用於測量風速的風速儀大都安裝在氣象臺,一般離城市中心有一段距離,且周圍為空曠平坦地區。表5給出各國規範基本風速的地面粗糙度類別。
德國風荷載規範DIN1055-4第7章中風壓與風速的關係與中國基本相同
式中：q為風壓，N/m²；ρ=1.25kg/m³；ν為基本風速，m/s。
美國建築結構最小設計荷載規範ASCE7-10中，速度壓力計算公式為
式中：qz為速度壓力N/m²；ν為基本風速，m/s；Kz為速度壓暴露係數；KzT為地形係數；Kd為風向係數，若不考慮係數，基本風壓部分是與中國、德國基本相同的。其他國家的規範對於基本風壓的公式也基本如此，都是基於貝努利公式得出，根本的差異在於基本風速的定義，通過分析美國、歐洲等國的風荷載規範中對基本風速定義方面的差異，結果表明各國在設計風速的差異主要體現在基本風速的時距和重現期上，而且各國規範均自成體系，在轉換時切不可斷章取義，簡單套用。基本風速如果選取不當會造成嚴重後果,或導致結構的經濟性較差,甚至難以接受,或存在嚴重的安全隱患 。
閱讀更多 碩碩通 的文章
