露天安装设备设计中的风载荷计算——兼议风速时距取值

段慧文

（原国家大剧院业主委员会，北京 100031）

露天安装设备设计中的风载荷计算
——兼议风速时距取值

段慧文

（原国家大剧院业主委员会，北京 100031）

从风压计算出发，探讨并推荐露天安装演艺和游乐设备设计中，关于风速、风压和风载荷的计算方法。

演艺设备；游乐设备；风压；风速；风载荷

编者按：

近来，偶有某地室外LED屏倾翻伤人事故、某地临时搭建舞台坍塌事故等发生，其原因复杂不能详究，但有极大的可能性是与设备或装置设计计算时风压的取值偏低有直接关系。因此，分析现行风载荷标准GB50009-2012《建筑结构载荷规范》在本行业使用中存在的问题，针对关键环节做适当的修正，解决原计算在本行业应用时存在的不足（建筑领域应用了许久，虽有个别改动，但因为有一套较为完备的计算系统，该标准仍在使用），是作为设计人员所面临的任务。本文提出了对确定风速的关键因数时距的修正，进而对基本风压值进行修正，希望能对风压计算时基本风压值明显偏小（与国外相比）的问题有所改善。

近年来，上演实景演出的大型室外剧场发展迅速，如湖南的“中国出了个毛泽东”室外剧场、闻名全国的“印象”系列、很多旅游景点建设的依山傍水的亲民剧场等。据不完全统计，中国目前有大型实景室外剧场近百个。演唱会、大型活动的开闭幕式演出等大规模的户外露天演出活动也频繁举行，设置与安装多种多样的临时或永久的演出设备方兴未艾。另外，中国大型游乐园（以上海迪斯尼乐园为代表）的建设已经开始，可以预计，在不久的将来会形成游乐园的建设高潮，数量众多的露天移动或固定安装的游乐设备是游乐园里最能吸引游客的亮点。这些公共场所群众聚集的活动，除了在总体策划上必须考虑的各种安全问题（风险分析、防范措施、应急预案、防火、防爆、防恐、疏散等），设备自身的安全也是必须考虑的重点。

露天安装设备与室内设备的最大区别是设备必须承受风荷载，无论是正规安装的，还是临时搭建的、移动或固定的设备，其结构设计和安装设计必须满足安装地域最大风速和风压的要求，才能确保设备投入使用时在工作状态风压和非工作状态风压作用下的安全性能。近来媒体报道的某地LED屏倒塌伤人事故，也许与露天安装设备设计时对风载荷的考虑不周有关。本文从风压计算出发，探讨并推荐露天安装演艺、游乐设备设计中关于风速、风压和风载荷的计算方法。

1 基本概念

1.1 风压

由于物体的阻挡，使物体四周的空气流动受阻，物体正面气流的动压下降、静压升高，物体的侧面和背面产生局部涡流，静压下降。和远处的气流相比，这种正面静压的升高和背面静压的降低统称为风压。风压就是垂直于气流方向的物体投影平面所受到的风的正压力。

1.2 风压计算

根据流体运动的伯努利方程，可得出的风速和风压的关系，风的动压为：

式中：p（建筑行业用w表示）——风压（单位：kN/m2），

r0——空气密度（单位：kg/m3），

v——风速（单位：m/s）。

由于空气密度r0和重度r的关系为， 因此有r0=r/g。代入（公式1）得到

式中：g——重力加速度（单位：m/s2），（公式2）为风压计算的常用公式。

在标准状态下（气压为1 013 hPa， 温度为15°C)，空气重度 r=0.012 25 kN/m3，纬度为45°处的重力加速度g=9.8 m/s2，代入（公式2）可得：

（公式3）为用风速计算风压的简便通用公式。应当指出的是，空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度而变。一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小。也就是说，同样的风速在相同的温度下，其产生的风压在高原上比在平原地区小。

如果将风压p的单位由kN/m2换成N/m2，可得：

1.3 基本风压

我国建筑设计标准规定的基本风压p0（标准中使用的风压用符号w0表示），是以空旷平坦地面、离地面10 m高度、风速时距为10 min的平均最大风速计算得出的风压，建筑设计按结构类别考虑平均最大风速的重现期（一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年，特别重要的结构为100年），由此统计得出最大风速v。在室外演艺和游乐设备设计中，推荐采用重现期为50年的基本风压进行结构、零件和稳定性计算。

基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，主要由台风造成。东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。其他内陆地区风压都较小。《建筑结构荷载规范》附录D.4 中附表D.4 给出了国内各地区50 年一遇的基本风压，露天安装演艺和游乐设备设计时，可根据所在地域选取并按本文推荐系数转换后采用。

1.4 风载荷

风载荷（在建筑行业称为风荷载）也称风的动压力，是空气流动对建筑物的工程结构所产生的压力。风载荷的大小与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，以及建筑体型等诸因素有关。

由于没有专门针对设备结构计算使用的风载荷（设备专业把结构及零件所受的力统称为载荷）研究成果，露天安装演艺和游乐设备的风载荷计算推荐按照GB/T3811-2008《起重机设计规范》的有关风载荷计算的程序和方法（其主要内容也是参照建筑行业的规定而来，只不过计算公式改换了形式、具体重要数值按机械行业需要进行调整）进行，但某些重要数据需按本文推荐的系数进行转换。

1.5 风速与时距

风速随时间不断变化（见图1），在一定的时间间隔Δt内，风速可分解为两部分：平均风速的稳定部分和风速的脉动部分。为了对变化的风速确定其代表值作为基本风压，一般用规定时距内风速的稳定部分作为取值标准。

为确定最大平均风速而规定的时间间隔（图1中的Δt）称为时距。规定的时距愈小，所得的最大平均风速就愈大，计算所得基本风压也愈大。时距过大会漏掉很多瞬时风速，使计算风压值偏低，时距的选取对风压值的计算结果影响很大。

1.6 风力等级

图1 风速随时间的变化示意图

风力是指风吹到物体上所表现出的力量的大小。英国人蒲福平（Beaufort scale）于1805年根据风对地面或海面物体的影响程度，拟定了风力等级，从0到12共13级。最小是0级，最大为12级。陆地上出现的风力一般多在0～9级之间，10～12级的风力陆上很少见，有则拔树、摧毁建筑物，破坏力极大。19世纪末发明了风速仪，风力等级开始用风速精确的表达，20世纪50年代，风速仪测出的自然界风速远远超过12级，遂逐渐把风力等级扩展到17级，但是已经无法再用地面或海面情形具体加以描述了（见表1）。一般认为，风速超过61.2 m/s就属于特大台风，如有记录的30多年前琼海台风，中心附近最大风力为73 m/s，已超过 17级的最高标准。国际航海界把特大台风称为风力18级。目前，风速仪测出的风速已经远远超过17级（如有些龙卷风的风速），达到100 m/s～200 m/s，其破坏力惊人。

2 关于时距取值

各国计算风载荷的出发点不同，确定风速时所采用的时距也不一致。例如，中国和日本取10 min，俄国取2 min，英国根据建筑物或构件的尺寸不同，分别取3 s、5 s和15 s，美国取3 s，为瞬时最大风速，即峰值脉动风速。 因此，各国基本风压值的标准也有差别。

中国规范计算风载荷标准值的出发点是基本风压，并在GB20009-2012《建筑结构载荷》中给出了全国各城市的风压值（见该标准附录E.5）和全国基本风压分布图（见该标准附录E.6.3），供设计计算时选用。

表1 蒲氏风力级别表

在GB20009-2012《建筑结构载荷》中特别指出：“全国各城市的基本风压值应按本规范附录E中表E.5重现期R为50年的值采用。当城市或建设地点的基本风压值在本规范表E.5没有给出时，基本风压值应按本规范附录E规定的方法，根据基本风压定义和当地最大风速资料，通过统计分析确定，分析时应考虑样本数量的影响。当地没有风速资料时，可根据附近地区的基本风压或长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定；也可以比照本规范附录E中附图E.6.3全国风压分布图近似确定”。

中国的规范较为稳定，从1987年版到2012年版，虽然在具体条文上和具体数据有局部调整（如对风载荷体型系数、山峰地形修正系数、风振系数计算方法等进行调整和补充），但是基本风压的计算一直沿用了相同的计算方法。

美国和日本的规范计算风载荷标准值的出发点是基本风速，也给出了相应的基本风速区划图，供设计计算时选用。

美国的规范改动较为频繁，与以前标准相比，近期（2005版）较大的改动是：对于基本风压的确定由以往的最大里程风速值改为现在的3 s时距的平均值，即采用峰值脉动风速。并据此进行概率分析、确定风速标准值和其他相关参数，对飓风影响区的基本风速也做了相应调整。

中国、美国、日本三国对基本风速的确定方法，主要差别在于风速统计时距和重现期的取值（见表2）。显然，由于风速统计时距和重现期的不同，美国、日本两国规范所定义的基本风速大于中国，风压值也大于中国。

以上资料可以看出，时距对风速和风压的影响是紧密和直接的。一般钢结构设计时，安全系数都不会大于2，在时距10 min的平均风速和风压下可能没有问题，但是在瞬时风的作用下就可能出现破坏，因为此时风压增大超过了2倍。我国风载荷的取值方法，恰恰忽略了瞬时风的巨大破坏作用。

表2 中国、美国、日本的基本风速确定方法比较

3 露天安装演艺和游乐设备风载荷计算

露天安装演艺和游乐设备的风压计算，推荐参照GB/T3811-2008《起重机设计规范》的程序与方法进行。计算的原则是：假定风载荷是沿设备最不利的水平方向作用的静力载荷。

3.1 计算风压

计算风压与阵风风速有关，按下式计算：

式中：p——计算风压（单位：N/m2）；

v——计算风速（单位：m/s）。

计算风速为空旷地区离地10 m高度处的阵风风速，即3 s时距的平均瞬时风速。工作状态时取10 min时距平均风速的1.5倍，非工作状态时取10 min时距平均风速的1.4倍。计算风压p、3 s时距平均瞬时风速vs、10 min时距平均风速vp与相当风力等级的对应关系见表3。

3.2 露天安装的演艺、游乐设备的风载荷

露天安装的演艺、游乐设备的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两种情况。

3.2.1 工作状态风载荷

工作状态风载荷是指设备在工作状态下能承受的最大风力或最大风压，计算时将工作状态风压沿设备全高取为定值，不考虑高度变化对风压值的影响。为限制工作风速不超过极限值所采用的风速测量装置，通常安装在设备的最高处。工作状态的计算风压是设备工作状态时的最大风压，用于阻力计算、电动机功率选择、机构零部件和金属结构的强度刚度计算、过载能力验算、整机稳定性和防滑验算等。

工作状态风载荷用下式计算：

式中：PWⅠ——工作状态风载荷（单位：N）；

C——风力系数；

p1——工作状态风压（单位：N/m2）；

A——构件或设备垂直于风向的实体迎风面积（单位：m2）；

θ——风向与构件纵轴线或构件表面的夹角（θ＜900）。

式中：A0——构件迎风面积的外形轮廓面积（单位：m2）；

(2)开放性。系统是开放的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人公开，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。

φ——结构迎风面充实率。

风力系数C直接采用 GB/T3811-2008《起重机设计规范》中有关风力系数C的论述，见标准4.2.2.3.5风力系数。多片桁架结构风力系数计算中的挡风折减系数η的计算，见标准4.2.2.3.6挡风折减系数。

露天安装的演艺、游乐设备，安全工作的最大风力为5级，工作状态的计算风速和计算风压见表4。

3.2.2 非工作状态风载荷

非工作状态风载荷是指设备在非工作状态下能承受的最大风力作用，即最大风压。计算非工作状态风载荷时，要计及设备受风部位离地高度的影响，用风压高度变化系数对计算风压进行修正。非工作状态风载荷与设备自重载荷进行组合，用于验算非工作状态下设备零部件即金属结构的强度、整机抗倾覆稳定性和抗风锚定装置的设计计算。

表3 p、vs、vp与相当风力等级的对应关系

表4 工作状态的计算风速和计算风压

式中：PWⅡ——非工作状态风载荷（单位：N）；

C——风力系数；

pⅡ——非工作状态计算风压（单位：N/m2）；

A——构件或设备垂直于风向的实体迎风面积（单位：m2），计算方法同前。

风力系数C，直接采用GB/T3811-2008《起重机设计规范》中有关风力系数C的论述，见标准4.2.2.3.5风力系数。多片桁架结构风力系数计算中的挡风折减系数η的计算，见标准4.2.2.3.6挡风折减系数。

计算非工作状态载荷时，可沿高度将设备划分为10 m的等风压段，以各段中点高度的高度影响变化系数kh（表5中所列数值）乘以计算风压，也可取结构顶部的计算风压作为设备全高的定值风压。

内陆华北、华中和华南地区取小值，西北、西南、东北和长江下游等地区取大值。沿海以上海为界，上海可取8 00 N/m2，上海以北取小值，上海以南取大值。在特定情况下，按用户要求可根据当地气象资料提供的离地10 m高处，50年一遇，10 min时距，年平均最大风速，换算成3 s时距的平均瞬时风速（一般不超过50 m/s）和计算风压pⅡ。若用户还要求此计算风速超过50 m/s时，则应进行特殊设计。沿海地区、台湾和南海诸岛，用于抗风防滑装置和锚定装置设计时，所采用的计算风速不应小于55 m/s，详见表6。

4 露天安装的演艺、游乐设备风载荷计算时的注意事项

表5 风压高度变化系数kh

风压的大小与风速的大小有直接的关系，因为风速采用的是某一时段内的平均风速。与其他影响因素相比，时距的选择对设计风速大小影响最直接、也最大。不同重现期对设计风速也有影响，但不如时距的影响大。

表6 非工作状态计算风压和计算风速

由于时距的选取对风速、风压的大小有直接影响，露天安装演艺、游乐设备进行风载荷计算时，笔者推荐按以下基本条件与数据进行选取：

（1）基本风速为空旷地区离地10 m高度处的、重现期为50年的最大阵风瞬时风速，即3 s时距的峰值脉动风速。

（2）与（1）条件相同，当按10 min时距平均风速选取基本风速时，计算风速应为10 min时距平均风速的1.5倍。

（3）当直接按GB20009-2012《建筑结构载荷》中给出了全国各城市的风压值（附录E.5）和全国基本风压分布图（F.6.3）选取风压时，计算风压为选取风压的2.25倍。

（4）露天安装游乐和演艺设备允许的最大工作风级为5级，应按10 min时距5级风速换算为3 s时距的峰值脉动风速计算风压。参照起重机设计规范的规定：非工作状态风速按10 min时距当地最大风速的1.4倍计取，即3 s时距的峰值脉动风速。仍为空旷地区离地10 m高度处的、重现期为50年的最大阵风瞬时风速。

（5）非工作状态的计算风压，直接引用GB/ T3811-2008《起重机设计规范》的数据表，按地区（内陆、沿海、台湾及南海诸岛）选取。

如此推荐的理由如下：

（1）西方主要技术发达国家（如英国、美国）都采用3 s时距，日本虽然采用10 min时距，但是使用的重现期却是100年。

（2）我国起重机行业在进行风压计算时，已经采用3 s时距的瞬时风速，详见GB/T3811-2008《起重机设计规范》有关章节。

（3）我国对外交往日益增多，引进和出口这类设备的机会大增，在了解和学习国外设计标准的同时，在风载荷计算领域必须采用最严格的参数，以应对世界各地尤其是沿海地区国家的严苛条件。

表7 不同时距风速与10 min时距风速的比值

（4）我国援外工程的多个领域（如港口建设），根据受援国关于时距的规定，已经不用10 min时距，而采用2 min时距，这是为了适应当事国的设计规范，说明我国当前设计规范规定的10 min时距已经不能适应援外要求，今后类似的情况或更加苛刻的情况遇见的机会可能更多。演艺和游乐行业需提前改变，提前提出应对办法。

为了方便设计人员查阅使用，现将现存的研究成果列出，供设计人员参照：

☆不同时距基本风速间的换算关系：V3S:V10min=1.45～1.50:1.0；

☆不同重现期（即概率保证期）基本风速间的换算关系：V100:V50=1.05:1.0；

☆不同时距风速与10min时距风速的比值见表7。

有理由相信，只要从设计方面做好遵守规范、合理选取设计参数、认真选择设备结构、精心计算和设计，露天安装演艺、游乐设备在大风恶劣气象条件下发生的倾翻、坍塌事故就能够杜绝。

[1]陈小素,吕先金. 浅谈基本风压计算[J]. 浙江气象,2005(4).

[2]GB/T 3811-2008起重机设计规范[S]. 北京:中国建筑设计研究院,2009.

[3] 张军锋,葛耀君,柯进,赵林. 中美日三国规范高层结构风荷载标准值对比[J]. 湖南大学学报,2011(10).

[4]GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5] 杨克用. 关于风速时距的取值问题[M]. 四航局设计院,2013.

（编辑 薛云霞）

Calculation of Wind Load in Design of Outdoor Installation Equipments -Discussion on the Value of the Wind Speed Time Interval

DUAN Hui-wen
(Owner's Commottee of NCPA, Beijing 100031, China)

The calculation method of wind speed, wind pressure and wind load in the design of outdoor installation entertainment and amusement equipments is discussed and recommended.

entertainment equipment; amusement equipment; wind pressure; wind speed; wind load

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.04.007