中菲規(guī)范基本風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換分析

高媛媛

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

風(fēng)荷載是玻璃廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的主要荷載，風(fēng)荷載值的選取在玻璃廠鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性中起主導(dǎo)作用。隨著中國“一帶一路”倡議的有效推進(jìn)，在沿線國家或地區(qū)承擔(dān)的玻璃廠項(xiàng)目逐漸增多，對(duì)各國風(fēng)荷載的研究就顯得十分必要。本文對(duì)比分析菲律賓規(guī)范與我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范關(guān)于基本風(fēng)速的異同，并通過轉(zhuǎn)換，得到滿足國內(nèi)規(guī)范的風(fēng)荷載值，且該值可直接用于國內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)。

1 基本風(fēng)速

結(jié)構(gòu)物表面單位面積上風(fēng)力作用的大小用風(fēng)壓表示，風(fēng)速越大，作用于結(jié)構(gòu)物表面的壓力越大，現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009—2012［1］中風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系式：

影響基本風(fēng)壓的各要素有：①標(biāo)準(zhǔn)高度；②地貌；③平均風(fēng)速的時(shí)距；④最大風(fēng)速的樣本；⑤最大風(fēng)速的重現(xiàn)期；⑥最大風(fēng)速線型曲線。

2 標(biāo)準(zhǔn)高度和地貌

基本風(fēng)壓w0是根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站歷年來的最大風(fēng)速記錄，按基本風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)要求，將不同風(fēng)速儀高度和時(shí)次時(shí)距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算為離地10 m高，自記10 min平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速u0，再按貝努力公式計(jì)算得到基本風(fēng)壓。現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范通過等壓線把全國地區(qū)的基本風(fēng)壓劃分出來，同時(shí)規(guī)范還給出了部分城市的基本風(fēng)壓值，國內(nèi)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可直接采用。

現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范關(guān)于地面粗糙度的有關(guān)規(guī)定：在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地高度增加而增大，風(fēng)速隨高度增加的規(guī)律主要取決于地面粗糙度和梯度風(fēng)高度。地面粗糙度類別可按該原則近似確定：以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h來劃分地面粗糙度類別，當(dāng)平均高度h≥18 m，為D類（指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)）；9 m＜h＜18 m，為C類（指有密集建筑群的城市市區(qū)）；h≤9 m，為B類（指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)）；A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)。

不同地貌的風(fēng)速剖面指數(shù)a、梯度風(fēng)高度HG和風(fēng)速見表1。

表1 不同地貌的風(fēng)速剖面指數(shù)a、梯度風(fēng)高度H G和 風(fēng)速

中國國家氣象中心把“超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)”定義為熱帶氣旋接近中心最高持續(xù)風(fēng)速51 m/s以上，并使用2 min平均風(fēng)速計(jì)算。2001年中國氣象局發(fā)布《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》，以蒲福風(fēng)力等級(jí)將12級(jí)以上臺(tái)風(fēng)補(bǔ)充到17級(jí)，13～17級(jí)分別對(duì)應(yīng)的是臺(tái)風(fēng)的風(fēng)級(jí)，蒲福風(fēng)力等級(jí)見表2。如實(shí)際工程項(xiàng)目的風(fēng)荷載需要考慮臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)速，其地貌類別應(yīng)選擇荷載規(guī)范中的A類地貌。

表2 蒲福風(fēng)力等級(jí)

菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范NSCP C101-15［2］基本風(fēng)速u0P定義為障礙物高度小于9 m且分散的開闊平坦地面，離地10 m高度處3 s時(shí)距內(nèi)的平均最大風(fēng)速，年超越概率為0.02。菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范關(guān)于地面粗糙度的規(guī)定為：D類指平坦、無障礙區(qū)域和水面，包括平滑的泥灘、鹽灘和未破碎的冰層；C類指開闊地形，有低矮稀疏的障礙物，高度一般低于9 m，這一類型包括平坦的開闊地和草原；B類指城市或郊區(qū)、樹木茂盛區(qū)，或有較多間距很小、大小相當(dāng)于一戶住宅或更大的障礙物的地形；A類沒有具體規(guī)定。菲律賓規(guī)范根據(jù)地面粗糙度又確定了B、C、D三類暴露類別：①暴露類別B：對(duì)于屋面平均高度≤9 m的建筑物，暴露類別B適用于迎風(fēng)方向大于450 m的地面粗糙度類別為B類的場地。對(duì)于平均屋面高度大于9 m的建筑物，暴露類別B適用于迎風(fēng)方向大于790 m或建筑物高度的20倍（取兩者大值）且地面粗糙度類別為B的場地；②暴露類別C：用于暴露類別B或D不適用的所有情況；③暴露類別D：適用于迎風(fēng)方向大于1500 m或建筑物高度的20倍（取兩者大值）且地面粗糙度類別為D的場地。也適用于在迎風(fēng)方向先經(jīng)過之前定義的暴露類別為D的場地，然后建筑物場地附近的地面粗糙度類別為B或C，且該場地在180 m內(nèi)或建筑物高度的20倍以內(nèi)（取兩者大值）。

同時(shí)該國的結(jié)構(gòu)規(guī)范還規(guī)定，臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)只能用準(zhǔn)許的模擬和數(shù)值分析程序得出的風(fēng)速值代替基本風(fēng)速。菲律賓共有大小島嶼7000多個(gè)，其中呂宋島、棉蘭老島、薩馬島等11個(gè)主要島嶼占全國總面積的96%，菲律賓東部太平洋是臺(tái)風(fēng)的發(fā)源地；菲律賓國家大氣地球物理和天文服務(wù)管理局把“超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)”定義為風(fēng)暴接近中心最高持續(xù)風(fēng)速為220 km/h以上，用10 min平均風(fēng)速計(jì)算。因此根據(jù)該國的實(shí)際情況，該國玻璃廠項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基本風(fēng)速的選取更應(yīng)慎重，當(dāng)工程所在場地確實(shí)需要按照臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)速考慮風(fēng)荷載時(shí)，不能直接把該風(fēng)速值作為荷載規(guī)范中的“基本風(fēng)速”用于結(jié)構(gòu)計(jì)算，二者需要轉(zhuǎn)換之后才能應(yīng)用。

3 不同時(shí)距的換算

公稱風(fēng)速實(shí)際是一定時(shí)間間隔（時(shí)距）內(nèi)的平均風(fēng)速。風(fēng)速是隨時(shí)間不斷變化的，一般來說，時(shí)距越短，平均風(fēng)速越大；時(shí)距越長，平均風(fēng)速也就越小。如何取值對(duì)分析很有影響，通常取規(guī)定時(shí)間內(nèi)平均風(fēng)速作為計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)陣風(fēng)的特性，每次大風(fēng)約1 min重復(fù)一次，陣風(fēng)的卓越周期約為1 min，如以10 min為標(biāo)準(zhǔn)，則基本上覆蓋了10個(gè)周期的平均值。目前國內(nèi)現(xiàn)行荷載規(guī)范的時(shí)距取值為10 min。依據(jù)菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范NSCP C101-15，該國的時(shí)距取值為3 s。目前各國平均時(shí)距的取值變化很大，如：日本采用瞬時(shí)最大風(fēng)速；前蘇聯(lián)及東歐國家為2 min；英國、澳大利亞為3 s；丹麥、法國取10 min；加拿大取1 h；美國規(guī)范采用3 s。

不同時(shí)距的取值與10 min時(shí)距的風(fēng)速比值見表3。

表3 不同時(shí)距的取值與10 min時(shí)距的風(fēng)速比值

實(shí)際平均風(fēng)速值的大小，受不同的天氣過程（臺(tái)風(fēng)、雷暴大風(fēng)及冷空氣）的影響，不同時(shí)距與10 min時(shí)距的換算系數(shù)值變異性較大，因此表3給出的比值有很大的不確定性，實(shí)際工程中應(yīng)避免風(fēng)速時(shí)距的轉(zhuǎn)換，統(tǒng)計(jì)場地所在地的10 min平均年最大風(fēng)速作為滿足國內(nèi)規(guī)范要求的基本風(fēng)速。

4 不同重現(xiàn)期的換算

重現(xiàn)期本質(zhì)上反映的是荷載的取值大小，重現(xiàn)期越長，其年超越概率越低，設(shè)計(jì)使用風(fēng)速值的取值越大，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果越大。國內(nèi)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定一般結(jié)構(gòu)采用重現(xiàn)期為50年（即超越概率為0.02）的平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行規(guī)范也明確說明，在實(shí)際工程中，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用功能及重要性，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體或部分取用不同的重現(xiàn)期；對(duì)重要結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的重要部分，應(yīng)取重現(xiàn)期為100年的平均最大風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)速值。菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范NSCP C101-15確定基本風(fēng)速的超越概率為0.02，即重現(xiàn)期也為50年。

不同重現(xiàn)期風(fēng)壓與50年重現(xiàn)期風(fēng)壓的比值見表4。

表4 不同重現(xiàn)期風(fēng)壓與50年重現(xiàn)期風(fēng)壓的比值

5 最大風(fēng)速的概率分布曲線

假定最大風(fēng)速為隨機(jī)變量，因此需要選擇合適的統(tǒng)計(jì)曲線函數(shù)即概率密度函數(shù)或概率分布函數(shù)來描述最大風(fēng)速出現(xiàn)的規(guī)律。國內(nèi)外最大風(fēng)速分布函數(shù)主要有極值I型分布曲線、極值II型分布曲線、皮爾遜III型分布曲線、威布爾分布曲線等。我國荷載規(guī)范早起采用的是皮爾遜III型分布曲線，現(xiàn)已與世界大多數(shù)國家一樣采用極值I型分布曲線；菲律賓采用極值I型分布曲線。

6 最大風(fēng)速的樣本時(shí)間

最大風(fēng)速的樣本選取影響平均風(fēng)速的取值，最大風(fēng)速的樣本可以是日、月、季度、年等。當(dāng)以日、月或季度為最大風(fēng)速的樣本時(shí)最大風(fēng)速的取值不全面，平均風(fēng)速偏低。最大風(fēng)速按照自身的自然周期，每年重復(fù)一次，如果工程結(jié)構(gòu)能夠承受住一年中的任何最大風(fēng)速，則該樣本時(shí)間的取值較合理，因此較合適的最大風(fēng)速樣本取法為年。中菲兩國均取年最大風(fēng)速作為統(tǒng)計(jì)樣本。

7 工程實(shí)例

某菲律賓項(xiàng)目，位于菲律賓巴丹省的馬里韋萊斯港口，菲律賓方提供的基本風(fēng)速是230 km/h，依據(jù)提供的基本風(fēng)速值可確定需要按照超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來換算用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本風(fēng)速，具體換算為：

8 結(jié)語

本文詳細(xì)對(duì)比了兩國規(guī)范影響基本風(fēng)壓的各要素，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)中國和菲律賓風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行了分析及詳細(xì)的換算，可以看出結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)選取的風(fēng)荷載值受標(biāo)準(zhǔn)高度、平均風(fēng)速時(shí)距、地貌、重現(xiàn)期等諸多因素的影響，中國和菲律賓兩國規(guī)范確定基本風(fēng)壓的條件大部分是一致的，但也有差異。本文旨在為其他涉外工程項(xiàng)目準(zhǔn)確選取風(fēng)荷載值提供參考。