风力与风压的关系——汪明

相信身为结构工程师的你也曾思考过这样的一个问题：《建筑结构荷载规范》中的基本风压对应的是几级风？下文我们将围绕这个问题进行简单论述。

风压和风速

风速和风压之间的关系如下式：

                                （1）

式中，ω为风压；ρ为空气密度；v为风速。

空气密度与海拔、湿度、温度等诸多因素相关，所以理论上风速和风压的对应关系是变化的。为了能够得到统一相关性，在《建筑结构荷载规范》中将空气密度统一为1.25kg/m³，因此，式（1）简化为：

                                （2）

客观上讲，其它因素对空气密度的影响还是比较明显的，如温度和空气密度的关系如下图：

与空气密度为1.25kg/m³对应的空气温度约为10⁰C。

风力等级和风速

风力是指风吹到物体上所表现出的力量的大小。根据《台风业务和服务规定》，根据风吹到地面或水面的物体上所产生的各种现象，把风力的大小分为18个等级，最小是0级，最大为17级。比较常用是“蒲福风力等级表“，如下表：

从上表中的信息可见每一个风力等级均对应一个风速范围，例如12级风力对应的风速范围为32.7~36.9m/s。理论上根据前文讲到的风速和风压的关系公式，可以得到12级风力对应的风压，但在这之前还需要弄清楚一个问题，便是这个风速的测试条件。

《建筑结构荷载规范》中的风速是离地10米处，10分钟平均年最大风速。

《热带气旋等级》（GB/T 19201-2006）规定的蒲福风力中的风速是指离地10米处，以正点前2分钟至正点内的平均风速。

通过上述两者的比较，不难得到以下结论：

1. （1）两者均以离地10米处为测试点；
2. （2）两者均为一个时间段内的平均风速；
3. （3）两者的测试持时不同，《建筑结构荷载规范》的风速为10分钟持时内平均风速；而风力等级对应的风速为2分钟持时内的风速。

因此，要想得到两者的对应关系，还得首先弄清楚测试持时与平均风速之间的关系。

测试持时和平均风速

从概念上判断，不难理解较短的持时内测试得到的平均风速较高，但要想得到两者之间的定量对应关系，还是需要基于一定的试验或理论。

Durst在1960发表的论文中，根据实测资料给出了1小时平均风速换算为不同时距平均最大风速的换算系数，如下表所示：

美国ASCE也给出了不同时距的平均最大风速与1小时平均风速的转换曲线，如下图：

上图中实线是Durst曲线，虚线是用于飓风时距换算的ESDU曲线。

两条曲线得到的换算关系有所不同，按照ESDU曲线的换算主要流程如下：

（1）t秒平均风速对1小时平均风速的穿越率

(2) 计算t秒平均风速的均方根与实际均方根的比值

（3）计算峰值因子

(4) 1小时平均风到t秒平均最大风速的阵风因子

(5) 由2分钟平均最大风速换算到10分钟阵风的阵风因子

算例

求12级台风对应的基本风压？

根据《台风业务和服务规定》，12级台风对应的风速为32.7~36.9m/s²，

（1）按照ESDU曲线换算

12级台风对应的10分钟平均风速为30.7~34.7 m/s²，转为对应的基本风压为0.59~0.85kN/m²。

（2）按照Durst曲线换算

12级台风对应的10分钟平均风速为29.1~32.8 m/s²，转为对应的基本风压为0.53~0.67kN/m²。

笔者观点

通过上述方法，我们似乎找到了设计风压和风力等级之间的定量关系。然而，由于风速与时距的关系尚存在明显不确定性（还有一些资料给出了不同的对应关系），我们在结构设计时还是应尽量避免针对不同时距的风速转换，尽量采用前后统一的规范体系，例如美国ASCE给出的基本风速是基于3秒的阵风，而我们的《建筑结构荷载规范》是基于10分钟平均年最大风速，两者之间存在根本上的区别。