国际电力工程中不同标准的设计风速计算方法

李兴凯，王尧，丘海珊

(河北电力勘测设计研究院，石家庄市 050031)

0 引言

随着国际电力工程的增多，设计标准成为设计人员必须面对的一个问题。在电力工程中，设计风速对建筑物的造价影响很大，例如输电线路杆塔的荷载主要是塔身风荷载、导地线风荷载、导地线张力、导地线覆冰、杆塔自重、导地线自重等，特别是轻冰区直线塔主要杆件的承载受大风影响更大。设计风速越大，铁塔质量也越大，工程投资也会越大。因此，如何在不同设计标准下合理确定设计风速的取值对电力工程安全运行和降低工程造价均具有重要意义。

国际电力工程的标书中规定采用的设计标准一般为美国标准、国际标准，或者不低于本国标准。本文针对美国标准ASCE/SEI 7－05—2006《Minimum design loads for buildings and other structures》［1］、国际标准IEC60826—2003《Designcriteriaofoverhead transmission lines》［2］和我国相关标准GB 5009—2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)［3］中设计风速计算方法存在的差异进行比较和分析，并通过统计试验的方法对不同标准进行分析研究，为以后的国际电力工程勘测设计工作提供参考。

1 研究内容

设计风速主要涉及6个方面的问题:(1)地面粗糙度;(2)设计高度;(3)平均风速时距;(4)重现期; (5)选样方法;(6)试线线型。其中，国际上大多数国家在选样方法和试线线型方面比较一致，本文针对设计风速的前4个问题进行比较和分析。

2 地面粗糙度

地表越粗糙，风能消耗越厉害，平均风速也就越低。粗糙度的不同，影响着平均风速的取值，因此需要对平均风速规定一个共同的标准。GB 5009—2001和IEC 60826—2003均将地形类别分为A、B、C、D 4类，ASCE/SEI 7－05—2006推荐了B、C、D这3种地形类型，地面粗糙指数α取值见表1。

表1 地面粗糙指数α取值Tab.1Value of ground roughness index α

目前大多数国家的气象站位于城市的郊区，周围一般空旷平坦或有少量低层房屋。3个标准对基本风速的规定中GB 5009—2001的B类地形为“田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区”，IEC 60826—2003的B类地形为“只有少数障碍物的乡村”，ASCE/SEI 7－05—2006的C类地形为“平坦或空旷的乡村地区”。由各标准对地形的描述可知，基本风速的地形类型是一致的;在粗糙度取值上，GB 5009—2001的B类地形和IEC 60826—2003的B类地形α均取0.16，ASCE/SEI 7－05—2006的C类地形α取1/6.5(0.154)，3个标准基本一致。

3 平均风速时距

风速统计时距不同，所求得的平均风速自然亦不相同。在国际上很多国家的风荷载标准中，标准时距的取值并不一致。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中规定基本风速的统计时距为10 min，ASCE/SEI 7－05—2006中规定的基本风速统计时距为3 s。

3.1 我国对风速时距转换的研究

我国关于不同风速时距转换的研究成果如下式:

式中:vt为统计时距为t的平均风速，m/s;v为10 min平均风速，m/s;t为时距，s。

文献［4］给出了瞬时风速v1与10 min风速v的转换关系，见表2。

表2 瞬时风速与10 min风速的转换关系Tab.2Conversion relation of instantaneous wind speed and average wind speed in 10 minutes

3.2 IEC 60826—2003中风速时距的转换关系

IEC 60826—2003中提供了时距为t的平均风速与10 min平均风速关系曲线，见图1。在曲线上查得vt/v600(v600表示时距为10 min(600 s)的平均风速)，即可求出10 min平均风速。

图1 时距为t的平均风速与10 min平均风速关系曲线Fig.1Relation curves of average wind speed between t and 10 minutes

3.3 ASCE/SEI 7－05—2006中风速时距的转换关系

ASCE/SEI 7－05—2006中提供了时距为t的平均风速与1 h的平均风速关系曲线，见图2。在曲线上查得vt/v3600、v600/v3600(v3600表示时距1 h (3 600 s)的平均风速)即可得出10 min平均风速。

图2 时距为t的平均风速与1 h的平均风速关系曲线Fig.2Relation curves of average wind speed between t and 1 hour

3.4 不同标准时距转换结果的对比

根据以上标准分别整理出不同时距的平均风速与10 min平均风速的比值，结果见表3。

由表中结果可知，各标准对不同统计时距风速换算的比值相差不大，误差一般小于5%。

4 设计高度

风速随高度而变化，离地越近，由于地表摩擦能量消耗较大，平均风速也就越低。工程设计中一般要求提供某一高度的设计风速。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006中对基本风速的规定中标准高度取10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度风速与10 m高风速的转换公式为

表3 不同时距平均风速与10 min平均风速比值Tab.3Average wind speed ratio of different time and 10 minutes

式中:vh为高度h处的风速;v为高度10 m处的风速; α为地面粗糙指数。

ASCE/SEI 7－05—2006中不同高度的风速与10 m高风速的转换公式为

由ASCE/SEI 7－05—2006中不同时距t的风速vt与平均1 h风速v3600的转换关系，查得v3600/v3= 0.65，式(2)转换为

式中:v3600为高度10 m处平均1 h风速。vt/v3600，等式左侧乘以，等式右侧乘以vt/ v3600，式(2)转换为

因此，ASCE/SEI 7－05—2006中给出的不同高度的风速与10 m高风速的转换公式也可以用式(1)来表示。

5 设计风速重现期

结构荷载设计要求提供某一重现期的设计风速作为设计依据。重现期越长，保证率也就越高，说明结构的安全度越高。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006对基本风速的规定中重现期均为50年一遇。

5.1 国内对设计风速重现期转换的研究

根据国内研究成果［5］，推算不同重现期的风速比值可参考表4。

表4 不同重现期的风速比值(中国)Tab.4Ratio of wind speed in different return period(China)

5.2 IEC 60826—2003中重现期的转换关系

IEC 60826—2003中给出了150年一遇、500年一遇风速与50年一遇风速之间的比值，见表5。

表5 不同重现期的风速比值(IEC 60826—2003)Tab.5Ratio of wind speed in different return period(IEC 60826－2003)

5.3 ASCE/SEI 7－05—2006中重现期的转换关系

ASCE/SEI 7－05—2006给出了风速v＜44.7 m/s时，不同频率风速与50年一遇风速的比值，见表6。

表6 不同重现期风速比值(ASCE/SEI 7－05—2006)Tab.6Ratio of wind speed in different return period (ASCE/SEI 7－05—2006)

5.4 重现期转换结果对比

通过给出的任意3个重现期的比值，进行目估试线(线型采用极值Ⅰ型)即可求出不同频率风速与50年一遇风速的比值，结果见表7。

表7 不同重现期风速的比值Tab.7Ratio of wind speed in different return period

由表7可知，各标准中不同重现期风速的比值相差不大，误差一般小于5%。

6 统计试验对比分析

(1)方案1。利用计算机模拟1 000组年平均最大风速系列，每组风速系列有50年数据，分别计算10、20、30、50、100年一遇平均最大风速，结果见表8。

(2)方案2。假设1 000组年平均最大风速系列的高度为15 m。按照各标准中的方法将1 000组风速换算为10 m高风速，地形类型分别按照表9中的4种组合考虑，然后分别计算10、20、30、50、100年一遇平均最大风速，计算结果见表9。

(3)方案3。假设1 000组年平均最大风速系列统计时距为3 s，按照各标准中的方法将1 000组风速换算为10 min平均风速，然后分别计算10、20、30、50、100年一遇平均最大风速，计算结果见表10。

(4)方案4。假设1 000组年平均最大风速系列统计时距为3 s、高度为15 m，地形类型按各标准基本风速类型考虑，按照各标准中的方法将1 000组风速换算为10 m高10 min平均风速，然后分别计算10、20、30、50、100年一遇平均最大风速，计算结果见表11。

表8 不同重现期风速的均值(方案1)Tab.8Average wind speed in different return period(project 1)

表11 不同重现期风速的均值(方案4)Tab.11Average wind speed in different return period(project 4)

7 结论

(1)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006中对基本风速的规定中标准高度均为10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度风速的转化公式相同。本文通过对ASCE/ SEI 7－05—2006中不同高度风速的转换公式的推导，得出与GB 5009—2001和IEC 60826—2003一致的公式形式。

(2)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006对基本风速的规定中重现期均为50年一遇。各标准中不同重现期风速的比值相差不大。统计试验结果与各标准计算结果基本一致。

(3)GB 5009—2001和IEC 60826—2003均将地面粗糙度分为A、B、C、D 4类，通过对比，4种地形类型的规定是基本相同，只是A类和D类地面类型的粗糙度取值存在较小差距。通过统计试验研究，粗糙度不同所造成的设计风速相对误差一般小于1%。

(4)ASCE/SEI 7－05—2006将地面粗糙度分为B、C、D 3类，通过对比，其中D、C、B类地形分别与GB 5009—2001和IEC 60826—2003中的A、B、C对应一致，只是在取值上存在较小差距。通过统计试验研究，粗糙度不同所造成的设计风速相对误差一般小于1%。

(5)GB 5009—2001和IEC 60826—2003中规定的基本风速的统计时距均为10 min，而ASCE/SEI 7－05—2006中规定的基本风速的统计时距为3 s。通过各标准中时距转化关系的分析和比较，各标准中不同统计时距风速换算的比值相差不大;通过统计试验研究，粗糙度不同所造成的设计风速相对误差一般小于5%。

(6)根据方案4的统计试验结果，可知利用不同高度的不同时距的风速系列计算10 m高10 min设计平均风速，各标准的计算成果相对误差一般小于5%。

［1］ASCE/SEI 7－05—2006 Minimum design loads for buildings and other structures［S］.America:America Society of Civil Engineers，2006.

［2］IEC 60826—2003 Design criteria of overhead transmission lines［S］.Switzerland:International Electrotechnical Commission，2003.

［3］GB 5009—2001建筑结构荷载规范:2006年版［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［4］中南电力设计院，华东电力设计院，中国电力工程顾问集团公司.电力工程水文气象计算手册［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2010:397-414.

［5］田启明.涉外电力工程水文气象中几个问题的讨论［J］.电力勘测设计，2010(增刊):69-71.

(编辑:马晓华)