中菲规范基本风压的转换分析

高媛媛

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

风荷载是玻璃厂结构设计中涉及的主要荷载，风荷载值的选取在玻璃厂钢结构厂房的结构安全性和经济性中起主导作用。随着中国“一带一路”倡议的有效推进，在沿线国家或地区承担的玻璃厂项目逐渐增多，对各国风荷载的研究就显得十分必要。本文对比分析菲律宾规范与我国建筑结构荷载规范关于基本风速的异同，并通过转换，得到满足国内规范的风荷载值，且该值可直接用于国内结构计算软件进行相关的结构风荷载设计。

1 基本风速

结构物表面单位面积上风力作用的大小用风压表示，风速越大，作用于结构物表面的压力越大，现行建筑结构荷载规范GB 50009—2012［1］中风压与风速的关系式：

影响基本风压的各要素有：①标准高度；②地貌；③平均风速的时距；④最大风速的样本；⑤最大风速的重现期；⑥最大风速线型曲线。

2 标准高度和地貌

基本风压w0是根据当地气象台站历年来的最大风速记录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10 m高，自记10 min平均年最大风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速u0，再按贝努力公式计算得到基本风压。现行建筑结构荷载规范通过等压线把全国地区的基本风压划分出来，同时规范还给出了部分城市的基本风压值，国内项目结构设计时可直接采用。

现行建筑结构荷载规范关于地面粗糙度的有关规定：在大气边界层内，风速随离地高度增加而增大，风速随高度增加的规律主要取决于地面粗糙度和梯度风高度。地面粗糙度类别可按该原则近似确定：以半圆影响范围内建筑物的平均高度h来划分地面粗糙度类别，当平均高度h≥18 m，为D类（指有密集建筑群且房屋较高的城市市区）；9 m＜h＜18 m，为C类（指有密集建筑群的城市市区）；h≤9 m，为B类（指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇）；A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。

不同地貌的风速剖面指数a、梯度风高度HG和风速见表1。

表1 不同地貌的风速剖面指数a、梯度风高度H G和 风速

中国国家气象中心把“超强台风”定义为热带气旋接近中心最高持续风速51 m/s以上，并使用2 min平均风速计算。2001年中国气象局发布《台风业务和服务规定》，以蒲福风力等级将12级以上台风补充到17级，13～17级分别对应的是台风的风级，蒲福风力等级见表2。如实际工程项目的风荷载需要考虑台风登陆时的风速，其地貌类别应选择荷载规范中的A类地貌。

表2 蒲福风力等级

菲律宾国家结构规范NSCP C101-15［2］基本风速u0P定义为障碍物高度小于9 m且分散的开阔平坦地面，离地10 m高度处3 s时距内的平均最大风速，年超越概率为0.02。菲律宾国家结构规范关于地面粗糙度的规定为：D类指平坦、无障碍区域和水面，包括平滑的泥滩、盐滩和未破碎的冰层；C类指开阔地形，有低矮稀疏的障碍物，高度一般低于9 m，这一类型包括平坦的开阔地和草原；B类指城市或郊区、树木茂盛区，或有较多间距很小、大小相当于一户住宅或更大的障碍物的地形；A类没有具体规定。菲律宾规范根据地面粗糙度又确定了B、C、D三类暴露类别：①暴露类别B：对于屋面平均高度≤9 m的建筑物，暴露类别B适用于迎风方向大于450 m的地面粗糙度类别为B类的场地。对于平均屋面高度大于9 m的建筑物，暴露类别B适用于迎风方向大于790 m或建筑物高度的20倍（取两者大值）且地面粗糙度类别为B的场地；②暴露类别C：用于暴露类别B或D不适用的所有情况；③暴露类别D：适用于迎风方向大于1500 m或建筑物高度的20倍（取两者大值）且地面粗糙度类别为D的场地。也适用于在迎风方向先经过之前定义的暴露类别为D的场地，然后建筑物场地附近的地面粗糙度类别为B或C，且该场地在180 m内或建筑物高度的20倍以内（取两者大值）。

同时该国的结构规范还规定，台风多发地区只能用准许的模拟和数值分析程序得出的风速值代替基本风速。菲律宾共有大小岛屿7000多个，其中吕宋岛、棉兰老岛、萨马岛等11个主要岛屿占全国总面积的96%，菲律宾东部太平洋是台风的发源地；菲律宾国家大气地球物理和天文服务管理局把“超强台风”定义为风暴接近中心最高持续风速为220 km/h以上，用10 min平均风速计算。因此根据该国的实际情况，该国玻璃厂项目结构设计时基本风速的选取更应慎重，当工程所在场地确实需要按照台风登陆时的最大风速考虑风荷载时，不能直接把该风速值作为荷载规范中的“基本风速”用于结构计算，二者需要转换之后才能应用。

3 不同时距的换算

公称风速实际是一定时间间隔（时距）内的平均风速。风速是随时间不断变化的，一般来说，时距越短，平均风速越大；时距越长，平均风速也就越小。如何取值对分析很有影响，通常取规定时间内平均风速作为计算的标准。根据阵风的特性，每次大风约1 min重复一次，阵风的卓越周期约为1 min，如以10 min为标准，则基本上覆盖了10个周期的平均值。目前国内现行荷载规范的时距取值为10 min。依据菲律宾国家结构规范NSCP C101-15，该国的时距取值为3 s。目前各国平均时距的取值变化很大，如：日本采用瞬时最大风速；前苏联及东欧国家为2 min；英国、澳大利亚为3 s；丹麦、法国取10 min；加拿大取1 h；美国规范采用3 s。

不同时距的取值与10 min时距的风速比值见表3。

表3 不同时距的取值与10 min时距的风速比值

实际平均风速值的大小，受不同的天气过程（台风、雷暴大风及冷空气）的影响，不同时距与10 min时距的换算系数值变异性较大，因此表3给出的比值有很大的不确定性，实际工程中应避免风速时距的转换，统计场地所在地的10 min平均年最大风速作为满足国内规范要求的基本风速。

4 不同重现期的换算

重现期本质上反映的是荷载的取值大小，重现期越长，其年超越概率越低，设计使用风速值的取值越大，结构计算结果越大。国内现行建筑结构荷载规范规定一般结构采用重现期为50年（即超越概率为0.02）的平均最大风速为标准。现行规范也明确说明，在实际工程中，可根据结构的使用功能及重要性，对结构的整体或部分取用不同的重现期；对重要结构或结构的重要部分，应取重现期为100年的平均最大风速作为设计风速值。菲律宾国家结构规范NSCP C101-15确定基本风速的超越概率为0.02，即重现期也为50年。

不同重现期风压与50年重现期风压的比值见表4。

表4 不同重现期风压与50年重现期风压的比值

5 最大风速的概率分布曲线

假定最大风速为随机变量，因此需要选择合适的统计曲线函数即概率密度函数或概率分布函数来描述最大风速出现的规律。国内外最大风速分布函数主要有极值I型分布曲线、极值II型分布曲线、皮尔逊III型分布曲线、威布尔分布曲线等。我国荷载规范早起采用的是皮尔逊III型分布曲线，现已与世界大多数国家一样采用极值I型分布曲线；菲律宾采用极值I型分布曲线。

6 最大风速的样本时间

最大风速的样本选取影响平均风速的取值，最大风速的样本可以是日、月、季度、年等。当以日、月或季度为最大风速的样本时最大风速的取值不全面，平均风速偏低。最大风速按照自身的自然周期，每年重复一次，如果工程结构能够承受住一年中的任何最大风速，则该样本时间的取值较合理，因此较合适的最大风速样本取法为年。中菲两国均取年最大风速作为统计样本。

7 工程实例

某菲律宾项目，位于菲律宾巴丹省的马里韦莱斯港口，菲律宾方提供的基本风速是230 km/h，依据提供的基本风速值可确定需要按照超强台风来换算用于结构设计的基本风速，具体换算为：

8 结语

本文详细对比了两国规范影响基本风压的各要素，结合工程实例，对中国和菲律宾风荷载转换问题进行了分析及详细的换算，可以看出结构抗风设计时选取的风荷载值受标准高度、平均风速时距、地貌、重现期等诸多因素的影响，中国和菲律宾两国规范确定基本风压的条件大部分是一致的，但也有差异。本文旨在为其他涉外工程项目准确选取风荷载值提供参考。