陣風(fēng)與平均風(fēng)——結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)知道的風(fēng)速常識(shí)之二

我們先從一段實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)時(shí)程說(shuō)起。

"奧森"路徑

觀測(cè)位置

風(fēng)速時(shí)程

上圖是1989年強(qiáng)熱帶氣旋奧森的實(shí)測(cè)結(jié)果。測(cè)量點(diǎn)在距澳大利亞西海岸130km的海上平臺(tái)上(距海平面高度36.4m)。圖中給出的結(jié)果包括：

V600——10min平均風(fēng)速

V60——1min平均風(fēng)速

V60,600——10min內(nèi)的1min平均最大風(fēng)速

V3,600——10min內(nèi)的3s平均最大風(fēng)速

V3,3600——1小時(shí)內(nèi)的3s平均最大風(fēng)速

風(fēng)速時(shí)程曲線持續(xù)3小時(shí)，展現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)眼經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)的全過(guò)程，其中高達(dá)132.6m/s和91m/s的3s陣風(fēng)，被標(biāo)注為可疑風(fēng)速，不能確定是設(shè)備故障還是真實(shí)出現(xiàn)的陣風(fēng)風(fēng)速。

從風(fēng)速時(shí)程曲線可以看到，1min平均風(fēng)速圍繞10min平均風(fēng)速上下波動(dòng)，隨時(shí)間的變化較為頻繁;而1小時(shí)平均風(fēng)速(圖中未表示)，則抹平了臺(tái)風(fēng)大的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)法反映臺(tái)風(fēng)隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)特征。用10min平均風(fēng)速描述風(fēng)速的平均強(qiáng)度是最合適的。

另外，顯而易見(jiàn)的是，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行平均時(shí)選取的時(shí)距越小，得到的最大值就越大(如上圖V3,600>V60,600)。我們自然想知道，不同平均時(shí)距得到的風(fēng)速最大值之間，是否可以進(jìn)行換算?如果能將10min平均最大風(fēng)速換算為3s平均最大風(fēng)速，就能夠回答建筑能抗幾級(jí)陣風(fēng)的問(wèn)題了。

其實(shí)，這一直是氣象學(xué)和風(fēng)工程學(xué)界關(guān)心的問(wèn)題。遺憾的是，迄今為止人們對(duì)“大氣湍流”的認(rèn)知遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上充分，理論模型還很不完備，只能結(jié)合實(shí)測(cè)資料給出半經(jīng)驗(yàn)的粗略估計(jì)。

下圖是臺(tái)風(fēng)條件下，不同時(shí)距平均得到的最大風(fēng)速與1小時(shí)平均風(fēng)速之間的換算系數(shù)(該換算系數(shù)稱為“陣風(fēng)因子”)?？梢钥闯?，雖然各組數(shù)據(jù)的趨勢(shì)一致，時(shí)距越短，陣風(fēng)因子越大，但由于環(huán)境條件、氣象條件的差異很大，具體數(shù)值的分布仍非常離散。比如由1小時(shí)平均風(fēng)速換算到3s陣風(fēng)，實(shí)測(cè)得到的陣風(fēng)因子就在1.25到1.72之間。

陣風(fēng)因子

盡管存在種種不確定性，但工程實(shí)踐中往往需要對(duì)陣風(fēng)和平均風(fēng)進(jìn)行換算。美國(guó)ASCE/SEI 7-16給出了不同時(shí)距的平均最大風(fēng)速與1小時(shí)平均風(fēng)速的轉(zhuǎn)換曲線，可供設(shè)計(jì)人員在時(shí)距轉(zhuǎn)換時(shí)參考。

陣風(fēng)因子

Durst在1960發(fā)表的論文中，根據(jù)實(shí)測(cè)資料給出了1小時(shí)平均風(fēng)速換算為不同時(shí)距平均最大風(fēng)速的換算系數(shù)，如下表所示：

上圖的實(shí)線就是將這些數(shù)據(jù)繪制成曲線得到的結(jié)果，虛線給出的是用于颶風(fēng)(美國(guó)對(duì)“臺(tái)風(fēng)”的稱呼)時(shí)距換算的ESDU曲線。該曲線可按以下過(guò)程進(jìn)行計(jì)算：

首先計(jì)算t秒平均風(fēng)速對(duì)1小時(shí)平均風(fēng)速的穿越率：

再計(jì)算t秒平均風(fēng)速的均方根與實(shí)際均方根的比值

然后計(jì)算峰值因子

最后得到1小時(shí)平均風(fēng)到t秒平均最大風(fēng)速的陣風(fēng)因子

根據(jù)Durst曲線，由10min平均最大風(fēng)速換算到3s陣風(fēng)的陣風(fēng)因子可用下式計(jì)算：

雖然該數(shù)值不一定具有普適意義，但用以估算風(fēng)力等級(jí)范圍是沒(méi)問(wèn)題的。對(duì)比蒲福風(fēng)級(jí)表，我們就可以知道建筑能抵抗的陣風(fēng)級(jí)別大致比平均風(fēng)速要高2~3個(gè)級(jí)別。比如按照基本風(fēng)壓0.40kN/m2設(shè)計(jì)的建筑物，能夠抵抗10級(jí)10min平均風(fēng)速的作用，也可以抵抗12級(jí)3s陣風(fēng)的作用;對(duì)于深圳正規(guī)設(shè)計(jì)的建筑物，能夠抵抗12級(jí)10min平均風(fēng)速的作用，也可以抵抗15級(jí)3s陣風(fēng)的作用。本月山竹臺(tái)風(fēng)登陸期間，在深圳大鵬新區(qū)羅屋田水庫(kù)測(cè)得的最大陣風(fēng)風(fēng)速為15級(jí)(46.5米/秒)，與設(shè)計(jì)風(fēng)速基本相當(dāng)。

需要注意的是，由于風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換存在很大不確定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免對(duì)風(fēng)速時(shí)距進(jìn)行換算。例如：中美規(guī)范對(duì)基本風(fēng)速的定義不同，如果采用中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)美國(guó)的建筑，盡量避免直接用美國(guó)ASCE7-16給出的基本風(fēng)速(用3s陣風(fēng)定義)進(jìn)行時(shí)距換算。最好對(duì)當(dāng)?shù)氐?0min平均年最大風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出符合中國(guó)規(guī)范要求的基本風(fēng)速。

參考資料

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

2. QX/T 51-2007《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，2007

3. ASCE/SEI7-16，Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures，2016

4. World Meteorological Organization，Guidelines for Converting between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions，2010

5. Durst C. S.，Wind speeds over short periods oftime，Meteorological Magazine，89，181-187，1960

6. Engineering Science Data Unit，Item No. 83045，Strong winds in the atmospheric boundarylayer. II: Discrete gust speeds.，London，2002

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