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基于风向的建筑工程设防风速预测研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： f j i j f irl lippill l j l l i j if l l f f f l l l j ll lfll l l f l y 18 3 0 4 3 8 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注； 翅趁直墓丝噩噩挂别直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名 字日期：矽p 年口占月瑶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：洳茛 导师签字： 签字日期：矽p 年。岛名 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 摘要 近年来，随着我国城市化速度加快、人口增长及社会的快速发展，建筑工程 领域高层、超高层建筑不断涌现。风荷载是超高层建筑的主要控制荷载，对于工 程设防风速预测的研究非常必要。 本文以实测风荷载资料为依据，参照国内外不同国家风荷载规范对风荷载计 算的规定，从对风速样本做了不同处理，运用不同极值分布模型预测极值风速， 并对计算结果进行对比等几个方面对工程设防风速预测进行了探讨和研究： ( 1 ) 首先介绍了风的相关基础知识，介绍了我国的风荷载规范；并着重对比 了中、日、美、澳、英等国家的风荷载规范：对风荷载的计算公式及参数、基本 风压、体形系数、风压高度变化系数等列表比较。 ( 2 ) 介绍了一维复合极值分布理论及二维复合极值分布理论；同时介绍了经 典极值理论、p e a r s o n 1 t 1 分布等几种常用的概率分布模型；对于不同的样本选取 方法，参数估计，以及拟合优度检验方法进行了总结。 ( 3 ) 本文对潮涟岛2 6 年的实测风速资料进行了统计分析，以我国的建筑结构 荷载规范规定的方法为依据，采用不同概率预测模型对极值风速进行了预测，将 复合极值分布预测值与单因素年极值序列拟合极值曲线所得的预测值进行了比 较，推荐针对本资料的极值风速预测的极值概率预测模型。 ( 4 ) 在仔细比较我国规范和国外规范对于极值风速预测方法的不同规定之 后，提出考虑风向的极值风速预测方法，利用不同的概率预测模型。对于潮涟岛 风速资料进行了分风向统计分析，形成不同风向的风速资料样本，针对不同风向 的样本进行了极值风速的预测，并对预测结果进行了相同概率模型分风向与不分 风向计算结果的比较，以及不同概率模型分风向与不分风向计算结果的比较。根 据比较结果提出了极值风速预测的一种新思路。 关键词：风荷载规范极值分布风向风速预测 s t u d yo na r c h i t e c t u r ee n g i n e e r i n gd e s i g nw i n ds p e e d f o r e c a s t i n gb a s e do nw i n dd i r e c t i o n a b s t r a c t a st h eh i 曲s p e e do f u r b a n i z a t i o n 、g r o w t ho fp o p u l a t i o na n ds o c i a ld e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t a l lb u i l d i n g sa n dh i g h r i s eb u i l d i n g sa r eb r o u g h ti n t oap e r i o do f p r o s p e r i t yr e c e n ty e a r s 州l o a di so n eo ft h ec o n t r o ll o a d so ft a l lb u i l d i n g s i ti s n e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c hw o r ko ne n g i n e e r i n gd e s i g nc r i t e r i ai nc a s eo fs t r o n g w i n di no r d e rt or e d u c el o s so f w i n dd i s a s t e r i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h ep r a c t i c a lm e a s u r e dw i n dd a t a , i n v e s t i g a t i o na n dd i s c u s so nt h ew i l l dl o a do ft h et a l lb u i l d i n gi sc a r r i e do u ti nt h i s t h e t i s t h er e s e a r c hm a i l l l yi n c l u d e ss e v e r a ls e c t i o n s ，s u c ha sm a i nd i f f e r e n c e s i n w i n dl o a ds t a n d a r d so fd i f f e r e n tc o u n t r i e sa r es u m m a r i z e df i r s t l y w i n ds p e e ds a m p l e s h a v eb e e nc a r r i e do u ti nd i f f e r e n tw a y , e x t r e m ew i n dv e l o c i t yw a sp r e d i c t e du s i n g d i f f e r e n te x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o nm o d e l sb a s e d0 1 1d i f f e r e n ts a m p l e s ，a n dc o m p a r e d w i t hc a l c u l a t e dr e s u l t s ( 1 ) t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ew i n da n dt h ec u r r e n tw i n d l o a ds t a n d a r d so fc h i n af i r s t l y , c o n t r a s t i n gt h ew i n dl o a dc o d eo fc h i n a 、j a p a n 、 a m e r i c a 、a u s t r a l i aa n de n g l a n d ( 2 ) t h ec o m p o u n de x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o nm o d e l 、t h ee x t r e m et h e o r ya n d p e a r s o n md i s t r i b u t i o na r ei n t r o d u c e d ( 3 ) t h e nas t a t i s t i c a la n a l y s i sw a sm a d ef o rt h ep r a c t i c a lm e a s u r e dw i n dd a t ao f 2 6y e a r ss o m e w h e r ea n dt h ed a t aw e r ep r o c e s s e du n d e rs i x t e e nw i n dd i r e c t i o n s e x t r e m ew i n dv e l o c i t yw a sp r e d i c t e du s i n gg u m b e le x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o n m o d e l sa n dc o m p o u n de x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o nm o d e l sb a s e do nd i f f e r e n ts a m p l e s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tw i n dl o a ds t a n d a r d si n c h i n a , a n dt h ee x t r e m e 、析n dv e l o c i t yw a so b t a i n e df o rd i f f e r e n td i r e c t i o n s u p o nt h e c o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sf r o mt h ec u r r e n tc o d e ，t h ep r o p o s e ds o l u t i o nc a nr e d u c e t h ed e f e n e e 、析n dv e l o c i t yr e a s o n a b l y , a n dm a k et h ep r a c t i c a ld e s i g nm o r ee c o n o m i c a n dr e a s o n a b l e c o m p a r e dw i t hs i n g l e f a c t o rf i t t i n gm e t h o d ，r e s u l to fc o m p o u n d e x 仃e m ev a l u ed i s t r i b u t i o nm o d e l ，t h ep o s s i o n - g u m b e le x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o n m o d e li ss u g g e s t e dw i t hr e l a t i v e l ys m a l le r r o ra n db e t t e rs t a b i l i t yc o m p a r i n gw i t ht h e r e s u l to ft r a d i t i o n a ls i n g l e f a c t o rf i t t i n gm o d e la n di t sa d v a n t a g ei ns a m p l i n g 。 an e wm e t h o df o re x t r e m e 谢n dv e l o c i t yp r e d i c t i o nc o n s i d e r i n g 谢n dd i r e c t i o n i ss u g g e s t e d d i f f e r e n tm e t h o d sf o rp r e d i c te x t r e m ew i l l dv e l o c i t ya l o n go n ed i r e c t i o n a r ec o m p a r e d ，i n c l u d i n gm e t h o d sf r o mc r i t e r i o nd o m e s t i ca n da b r o a d k e y w o r d s ：w i n dl o a ds t a n d a r d s ；e x t r e m ev a l u ed i s t r i b u t i o n ；w i n dd i r e c t i o n ； w i n ds p e e df o r e c a s t i n g 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 1 绪论 目录 1 1 引言。l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 各国风荷载规范对比2 1 2 2 极值风速分布模型3 1 2 3a s c e 7 的最大阵风分布图瞄】5 1 2 4 考虑风向的风速概率分布6 1 3 本文的工作内容和意义7 1 4 本文工作的创新点7 2 风及风荷载规范概述 9 2 1 风概述9 2 1 1 基本风压1 0 2 。1 2 风荷载体形系数1 2 2 1 3 风压高度变化系数1 3 2 2 我国的风荷载规范介绍【刀1 3 2 3 部分国家的风荷载规范比较1 4 2 3 1 风荷载计算公式1 4 2 3 2 基本风速( 风压) 1 5 2 3 3 体形系数。1 7 2 3 4 风压高度变化系数1 7 2 4 本章小结l9 3 常用的概率分布模型 2 0 3 1 样本选取的方法【4 1 1 2 0 3 1 1 年极值法2 0 3 1 2 阈值法：2 1 3 1 3 年n 大值法2 2 3 2 常用概率分布模型2 3 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 3 2 1 g u m b e l 分布( 极值i 型) m 2 3 3 2 2 皮尔逊型分布( p e a r s o n - i i i ) 2 4 3 2 3 其他常用概率分布模型2 5 3 3 复合极值分布模型2 7 3 3 1 一维复合极值分布模型2 8 3 3 2 二维复合极值分布模型( b c e d ) 3 0 3 4 参数估计的方法3 4 3 4 1 矩法3 4 3 4 2 极大似然法3 5 3 4 3 最小二乘法3 6 3 5 拟合度最优检验3 6 3 5 1z 检验3 7 3 5 2 柯尔莫哥洛夫检验法( k - s 检验) 3 7 3 6 本章小结3 8 4 极值分布理论在工程设防风速预测中的应用。 3 9 4 1 资料简介3 9 4 2 基于g u m b e l 分布的工程设防风速预测4 0 4 3 基于p o s s i o n - g u m b e l 极值分布的工程设防风速预测4 1 4 3 1 大风发生频次分布4 3 4 3 2 预测结果4 4 4 4 不同方法计算结果的比较4 5 5 考虑风向的工程设防风速预测 5 1 风向划分。4 6 5 2 样本选取4 7 5 3 基于g u m b e l 分布分风向的工程设防风速预测4 8 5 4 基于p o s s i o n - g u m b e l 极值分布分风向的工程设防风速预测5 0 5 5 不同方法计算结果的比较5 3 5 5 1 不同概率模型计算结果的比较。5 3 5 5 2 同一概率模型计算结果的比较5 5 5 6 本章小结5 7 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 6 结论与展望。5 9 6 i 总结与结论5 9 6 2 问题与展望5 9 参考文献6 1 附录。6 z l j 变谢6 7 个人简历6 8 发表的学术论文6 8 i i i 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 i v 第一高楼。高层建筑大大缓解了土地资源的不足，据统计仅在上海陆家嘴地区，已建 成的4 0 0 以上的结构就有3 栋，2 0 0 米以上的高层建筑十多栋，建成使用的商务楼宇 有近1 5 0 栋；大跨度桥梁使天堑变通途，计划中的意大利m e s s i n a 大桥的主跨达3 0 0 0 多米，我国已建成的苏通大桥更是创造四项世界纪录，主跨达1 0 8 8 米；高、大、精、 尖、新的大跨度空间结构提供了人们活动的舞台，奥运会及世博会的申办成功推出了 像“鸟巢 、“水立方 等大跨度空间结构。随着现代材料技术和施工技术的发展，建 筑结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展。 表1 - 1 世界著名超高层建筑 序号名称高度( 米) 国家 l哈利法塔( 迪拜塔)8 2 8阿联酋迪拜 2 台北l o l 购物中心5 0 9中国台北 3上海环球金融中心4 9 2中国上海 4 佩重纳斯大厦 4 5 2马来西亚吉隆坡 5西尔斯大厦4 4 2美国芝加哥 6上海金茂大厦4 2 0 5中国上海 7 香港国际金融中心 4 2 0 中国香港 8 广州中信大厦 3 9 1 中国广州 9深圳地王大厦3 8 3 9 5中国深圳 l o帝国大厦3 8 1 美国纽约 l l香港中环广场大厦3 7 4中国香港 1 2香港中国银行大厦3 6 9中国香港 我国内地从5 0 年代中期开始自行设计和建造高层建筑，随着国民经济的发展， 对外交往增加和城市规划建设的需要迅速发展。像香港中银大厦、上海金茂大厦等代 表性的建筑相继建成并成为城市的地标性建筑。 风荷载是建筑物的主要荷载之一，虽然其作用幅度比一般的地震荷载小，但其作 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 用频度却较地震荷载高得多。随着结构规模、体型朝着高大、轻柔的方向发展，风荷 载变得越来越重要以至于最后成为结构设计中控制性荷载，在很多情况下风荷载取代 地震作用成为建筑物的控制荷载。 因此，准确预测结构在强风作用下的荷载是结构安全性、适用性和经济性的保证。 本文通过比较多个国家的风荷载规范，运用极值风速计算的相关概率分布模型，着重 对无飓风区域的常规风极值风速的预测进行计算；并与传统方法的计算结果进行对 比，提出相应的建议。本章节主要内容是综述国内外已做的工作、本文所做的主要工 作以及创新点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 各国风荷载规范对比 工程设计中建筑表面风荷载的确定方法主要有查阅建筑结构荷载规范、进行风洞 试验以及其他途径，如查阅相关资料，进行c f d 数值模拟等。但就实际应用来看， 绝大多数结构设计在确定风荷载时所依据的还是荷载规范 7 1 。根据文献 1 ，2 ，3 ，不 同国家风荷载规范的差异主要可分为以下几类：( 1 ) 基本风速和基本风压差别，这种 差别主要体现在平均风速时距取值以及标准高度上，不同规范平均风速时距取值有3 秒钟、l o 分钟和l 小时三类，这也是普遍存在的定义平均风速的三类方法，除日本规 范把标准高度定为1 5 m 外，世界上其他各主要国家都把标准高度定为1 0 m ；( 2 ) 基本风 速重现期不同，日本规范中规定重现期为1 0 0 年，加拿大规范巧1 把重现期分为1 0 年、3 0 年、1 0 0 年三个层次，其他主要国家基本风速的重现期均为5 0 年；( 3 ) 地面粗 糙度的划分和风速沿高度变化的差别，亚太地区中除日本规范给出5 类地貌类型外， 其余各国规范都分为4 类，对于风速沿高度变化系数的计算公式，澳大利亚规范采用 对数为主的经验公式，其余的都采用指数形式表示：( 4 ) 体型系数的差别，我国规范 的体型系数大都以平均风压的分布表示结构表面风压的分布，美国和澳大利亚规范则 都考虑了压力的不均匀分布和长宽比、高宽比等因素的影响；( 5 ) 风振( 动力响应) 系 数差别，各规范对风振系数的定义和计算思路基本类似，都是以d a v e n p o r t 提出的方 法【i 】为基础，以动力放大系数的形式来表达，但考虑风振系数的条件及方法存在差别， 如日本规范按建筑尺寸、设计风速以及结构基频来判断风振系数的取值，而其它规范 2 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 按照结构基频的数值来判断风振系数的取值【5 6 】。 上述前两点差异属于人为定义和实测结果上的不同，是可以确定区分的，见表 卜2 。风振系数的取值根据不同结构形式受风作用下的动力性能而有所区别，理论上 的研究也还在不断更新，相应的研究大多结合具体的结构形式展开【6 】；而体型系数的 取值主要受建筑外形的影响，是基于大量风洞试验数据的统计而得到的。我国规范 ( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 中所列的风荷载体型系数，大部分内容来源于7 0 年代初进行的风洞 试验结果，部分内容也参考了国外的规范，当时风洞试验大部分还是借用航空风洞完 成的，受当时试验条件的限制，无论是流场模拟和测试手段都比较落后，因此所得结 果也有一定的局限性【l l 。 表1 2 基本风速观测比较 田家中国美国日本欧洲英国加拿大澳大利亚 平均风速时距 1 0 m i n3 s1 0 m i n1 0 m i nl hl h3 s 重现期( y ) 5 0s ol 5 05 0 l o ，3 0 ，l 5 0 标准高度( - ) 1 0l o1 5 1 0 l o 1 0 1 0 场地类型a b c da b c da b c d ea b c da b cb c da b c d 测定值 风压 风速 风压 风速 风压 风速风速 1 2 2 极值风速分布模型 目前，对于风荷载下的结构设计和风险评估，采用统计的方法估计常规风和飓风 的极值风速已广为接受1 2 3 1 。常规风可以看做平均风和脉动风的组合。虽然脉动风在结 构上引起的动力响应不能忽略，但是在大多数常规结构设计中，平均风的作用是主要 的。因此对年平均风极值风速的模拟和预测具有重要的工程价值，它是决定结构设计 的基本风压、高度变化系数、体型系数、风振系数等设计参数合理取值的重要因素。 1 应用广泛的经典极值分布理论其分布函数包括极值i 型( g u r n b e l ) 分布、极值 型( f r 6 c h e t ) 分布和极值型( w - e i b u l l ) 分布【s 】。s i m i u 等人根据大量数据拟和结果指出， 极值i 型可能比较恰当【9 】。极值风速是有限的，并非无穷大。而极值i 型和极值型 分布都具有无限的右尾部。e l l i n g w o o d 等人基于极值i 型对抗风结构进行了可靠性分 析，得到的失效概率高得不合实耐1 0 1 ，这可能是由于极值i 型的无限长尾部造成的。 而极值i i i 型分布的右端是有界的，因此，一些学者认为极值i i i 型才是最合适的概率 3 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 模型【l i 1 2 1 。但是，由于缺少数据，分布的尾部长度或尾部界限值难以估计，极值m 型分布的应用也受到了阻碍。文献【1 3 】通过对大量研究成果的分析比较，认为极值i 型分布是一个过分严格的风速分布模型，按其统计结果来设计结构偏于保守。然而为 了保证足够的可靠度和安全性，包括我国r 7 】在内的多个国家在建筑结构设计规范中仍 采用极值i 型分布，通常方法为从风速记录中每年选取一个最大值作为样本进行概率 统计，并各城市进行适合度检验。结果表明极值i 型分布较适合模拟无飓风( 台风) 地 区忽略风向的极值风速【2 3 1 。 2 经典极值分布理论要求：大量数据统计独立，并属于未知但相同的分布函数。 而大量事实表明，对同一自然现象观察得到的数据离散性往往很大，企图仅用一种分 布函数来拟和将是困难且不合理的【2 3 1 。此外，经典极值统计方法建立在时段最大值基 础上，即每个阶段只取一个数据，如对年最大风速的极值统计，每年只取当年风速记 录的一个最大值，那么3 0 a 的记录也就3 0 个，如前所述我国现行极值风速统计方法 即为此类。如此，可供估计尾部渐进分布的数据量显然不足，导致对极值风速的估计 与实际产生较大偏差。此外，经典极值方法的另一个局限还在于用短期风速数据来推 导像5 0 a 甚至1 0 0 a 这样的长重现期风速，其可靠性是值得怀疑的。重现期越长，可 信度越差，从而无法确定结构设计的可靠性。因此，如何在短期数据基础上建立的更 加合理而可信的极值风速分布模型、对极值风速估计的偏差在多大程度上影响结构设 计的可靠性成为倍受瞩目的问题瞄】。 正是由于数据的缺乏，引发了人们关于极值i i i 型分布应用的争议。s i m i u 和 h e c k e r t 尝试采用阈值法( p e a ko v e rt h r e s h o l d ，p o d 弥补数据之不足【1 4 1 。p o t 法由 d e k k e r s 和d e h a a n 于1 9 8 9 年提出【1 5 】，其基本概念是：事先给定一阈值，低于该阈值 和高于该阈值的数据属于不同分布。认为低于阈值的数据会干扰极值分布，使之偏离 实际，而只有那些高于阈值的、足够大的数据才是极值产生的真正母体，才应被保留。 该方法也可用于飓风和龙卷风之类风灾的极值风速的估计。显然，阈值的设置是关键， 过高，会减少数据量；过低，则会使极值分布受到偏小数据的干扰。g - r o s s 在1 9 9 4 年 通过模拟分析建议对于满足正态分布或极值分布的风速统计数据，最优界限可取每年 的第1 0 个最大风速值【1 6 1 。 不过，p o t 方法实际应用的结果不尽如人意。s i m i u 等人对美国无飓风地区日最 大风速样本分析的结果显示，一部分数据满足极值1 1 1 分布，另一些则满足极值i i 型。 这也许恰好说明了仅用一种分布来拟和所有数据是不合理的。另一方面，模型本身对 4 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 总样本数1 1 和跨阈样本数k 的要求也存在矛盾。为了确定分布函数的尾部形状参数c ， 要求跨阈样本数k 必须足够大，同时又要求k n 足够小【l 刀，这一条件实难满足。 目前工程界对于极值风速样本的取值方法，大多根据经典极值分布理论，即只取 每年一个最大风速。我国规范【7 】规定一般应取2 5 a 以上的资料；当无法满足时，至少 不少于1 0 a 的风速资料。根据如此少的样本数来拟合风速分布，虽然从理论上讲是可 靠的，但是由于所有取值均是年最大风速，因此其拟合风速结果一般比跨阈法偏高， 结果偏安全。 3 。认识到强风对我国的影响频次各年不同，l i ut f 等提出了考虑风频次和环境条 件分布的一维复合极值分布理论，并且先后完成了适用于台风影响海域的 p o i s s o n - g u m b e l 复合极值分布【1 9 1 ，用于波高和风速的极值预测；适用于美国墨西哥湾、 大西洋沿岸飓风海域的p o i s s o n - w e i b u l l 复合极值分布【2 4 】，用于飓风风速、波高、风暴 增水、中心气压差等的长期极值预测，以及二项一对数正态复合极值分布 2 5 1 。在此基 础上l i ut f ，w 醯s h u q i n & w a n gl i p i n g 2 6 】又推导出t - - 维复合极值分布模型的具体 形式之一：泊松一混合冈贝尔复合极值分布( p g m c e d ) ，并将此模型用于我国南海嵊 泗海区风速和波高的联合累计概率和百年一遇设计值的推求，结果显示了本模型具有 使用方便，结果可靠的优点【4 1 1 。 1 2 3a s c e 7 的最大阵风分布图【2 3 i 美国近年来在设计极值风速预测方面的一个重要进展就是由科罗拉多州立大学 主持研究的美国大陆和阿拉斯加地区最大阵风分布图，即a s c e 7 的最大阵风分布图。 a s c e 7 最大阵风图与1 9 9 3 年的a s c e 7 9 3 的最大风速图相比，主要在以下3 方面有 所突破：首先，它考虑了极值风速的持时，提供了持时3 秒的5 0 a 最大阵风风速，而 不仅仅是5 0 a 最大风速；其次，它综合了多个观测站的数据( 即所谓“超级观测站) ， 而不仅仅依靠当地单个观测站；最后，对于飓风区域和其他特殊风区域，a s c e7 既 提供了5 0 a 常规最大阵风风速，也提供了考虑飓风的年最大风速。 然而，所谓“超级观测站刀也存在缺陷。由于不同地区地理和气候特性不同，不 同观测站的数据产生于不同母体，简单组合的结果导致a s c e7 比a s c e7 9 3 离散性 更大，稳定性小。但是，“超级观测站 方法又无疑是弥补单个观测站数据不足的有 5 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 效措施，改进的途径应是针对具体的地理和气候特性，对现有的统计分析方法进行改 进。由此看来，更合理实用的极值风速分布图还有待发展。目前，美国标准与技术协 会( n i s t ) 在结构抗风设计领域关注的热点是各种数据统计误差的处理，尤其是观测误 差、地面粗糙度误差、结构体型系数误差以及极值风速估计误差等。可以预见，上述 研究进展将对极值风速分布图乃至风荷载设计系数取值产生重大影响。 1 2 4 考虑风向的风速概率分布 研究表明，按八个主方向分，任意两个方向风速的相关系数不超过o 6 ，即不同 方向风速间的相关性可以忽略【2 0 】。但是，不同风向引起的结构响应却是大不相同、而 且往往还是相关的。因此，从风工程的角度，风向的分布与极值风速的分布具有同等 重要的意义，最大风速概率分布研究应该着眼于风在各个方向的不均匀性和相关性。 然而，有风向的风速记录比单纯的风速记录更匮乏，人们往往只记录最大风速( 也许兼 及其方向) ，而忽略较小的风速及风向，这使按风向统计极值风速裹足不前。 目前工程界对于风向的处理，是把所有风向最大风速施加在结构各个方向上进行 最不利荷载组合，并考虑适当的安全系数。而文献【2 1 】、【2 2 对风速风向联合分布概率 模型的尝试性研究均表明，采用全方位的风速统计结果是偏于安全的。 事实上，即使考虑风速风向联合分布的极值风速的合理估计也不能完全保障结构 抗风设计的合理性，仅就结构顺风向响应而言，偏大的设计风速( 如依据极值i 型分布 所得的风速) 得到的是偏安全的结果；然而，若考虑结构涡激共振等横风向响应，则不 尽然。后者的响应取决于结构几何形状、涡旋脱落的周期以及来流速度等，对于少数 横风向响应非常敏感的结构，还需要进行额外的气弹性分析。因此，结构的响应并不 完全随流速的增大而增大。可见，常规风下极值风速的统计模型仅从概率的意义上保 障了结构的安全圆。 6 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 1 3 本文的工作内容和意义 复合极值分布理论【1 8 】已经广泛应用在海洋工程、建筑工程及各类军事工程领域的 近4 0 个工程项目中，利用该理论成功的推算出不同重现期的极值。在美国墨西哥湾 及大西洋沿岸飓风特征的长期概率预测、加拿大东北部海区油气田开发的设计波高预 测方法对比、尼罗河三角洲的波候、地中海及新加坡的波况和风况研究中都得到应用。 本文把一维复合极值分布理论用到了分风向的工程设防风速的预测中，主要做了以下 几个方面的工作： ( 1 ) 本文首先介绍了风的相关基础知识；介绍了我国的风荷载规范，并着重对 比了中、日、美、澳、英等国家的风荷载规范。 ( 2 ) 介绍了复合极值分布理论的发展完善过程，着重介绍一维复合极值分布理 论，二维复合极值分布理论；同时介绍了经典极值理论、p c a r s o n - 1 1 1 分布等几种常用 的概率分布模型；对于不同的样本选取方法，参数估计，以及拟合优度检验方法进行 了总结。 ( 3 ) 本文对潮涟岛2 6 年的实测风速资料进行了统计分析，以我国的建筑结构荷 载规范规定的方法为依据，采用不同概率预测模型对极值风速进行了预测，将复合极 值分布预测值与单因素年极值序列拟合极值曲线所得的预测值进行了比较，推荐了针 对本资料的极值风速预测的极值概率预测模型。 ( 4 ) 在仔细比较我国规范和国外规范对于极值风速预测方法的不同规定之后， 提出考虑风向的极值风速预测方法，利用不同的概率预测模型。对于潮涟岛风速资料 进行了分风向统计分析，形成不同风向的风速资料样本，针对不同风向的样本进行了 极值风速的预测，并对预测结果进行了相同概率模型分风向与不分风向计算结果的比 较，以及不同概率模型分风向与不分风向计算结果的比较。提出了极值风速预测的一 种新思路。 1 4 本文工作的创新点 在仔细比较我国规范和国外规范对于极值风速预测方法的不同规定之后，提出考 虑风向的极值风速预测方法，利用不同的概率预测模型。对于潮涟岛风速资料进行了 分风向统计分析，形成不同风向的风速资料样本，针对不同风向的样本进行了极值风 7 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 速的预测，并对预测结果进行了相同概率模型分风向与不分风向计算结果的比较，以 及不同概率模型分风向与不分风向计算结果的比较。根据比较结果提出了极值风速预 测的一种新思路。 8 由于大气中热力和动力现象的时空不均匀性，两点之间产生压差，使得空气在压差的 作用下从高压流向低压，从而形成风刚。空气具有质量，气流在流动过程中就具有动 能，当大气在运动过程中受到阻挡时，其运动的动能就会转化为压力。低速运动的空 气可以作为不可压缩的流体看待，根据贝努利方程得到自由气流的风速与风压的关系 网： 形= 丢2 2 - l 式中：w 表示风压；p 为空气密度；v 为风速。 由于形成的气候条件不同，风可以分为季风、飓风( 又称热带气旋) 、温带气旋和 地方性风如梵风、雷暴和龙卷风等1 1 3 】。风的等级一般可按照表2 1 划分为3 级。工程 上将自然风分为平均风( 即稳定风) 和脉动风( 也称阵风脉动) 两部分。平均风的周期比建 筑物的自振周期大得多，通常在1 0 分钟以上，因而平均风的作用效果通常作为静力 处理。脉动风也称阵风脉动，脉动风的周期与结构的自振周期较为接近，通常只有几 秒至十几秒，其作用性质是动力的。 表2 1 风的等级分类 一般大风相当于6 8 级大风 1 0 8 m s - - 2 0 7 m s 主要破坏农作物，对工程设施一般不会造成破坏 除破坏农作物、林木外，对工程设簏可造成不同程 较强大风相当于9 1 l 级大风2 0 8 m s - 3 2 6 m s 度的破坏 除破坏农作物、林木外，对工程设施和船舶、车辆 特强大风相当于1 2 级及以上大风大于3 2 7 m s 等可造成严重破坏，并严重危害人员生命安全 9 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 2 1 1 基本风压 平均风速是风的一个重要统计特性，对确定风力大小具有决定性的意义。由于平 均风速随高度不同而不同，且随建筑物所在地区的地貌而变化，因此有必要对于某一 规定高度处，并在一定条件下分析平均风速或风压，常称为基本风速或基本风压( 亦称 标准风速或标准风压) 。基本风速或基本风压涉及以下几个方面【7 - 2 9 , 3 0 l ： ( 1 ) 标准高度 风速是随高度而变化，离地面愈近，由于摩擦能量消耗越大，则速度越小，离地 愈高，能量消耗逐渐减少，因而风速越来越大，在到达梯度风高度后趋近于常值。因 而标准高度的规定对平均风速有很大的影响。一个国家在确定标准高度时考虑到多方 面的原因。我国气象台记录风速仪高度大都安装在8 1 2 m 之间，而且目前大部分房屋 在1 0 m 左右较多( 相当于3 4 层高度) 。因而我国规范确定以1 0 m 高为标准高度，这样 使用较为方便。实际上不同高度的规定在技术上是影响不大的，当风速仪高度与标准 高度1 0 m 相差过大时，可按式2 2 换算到标准高度的风速： v = 匕( 笥 式中：z - n , 速仪实际高度( m ) ； 匕一风仪观测风速( i 眺) ； 口空旷平坦地区地面粗糙指数，取0 1 6 。 表2 2 实测风速高度换算系数 实测风速 4681 01 21 41 61 82 0 高度( m ) 高度换算 1 1 5 81 0 8 51 0 3 61 o o oo 9 7 lo 9 4 8o 9 2 80 9 1 00 8 9 5 系数 ( 2 ) 地貌的规定 地表愈粗糙，能量消耗也愈厉害，因而平均风速也就愈低。由于地表的不同，影 响着风速的取值，因此有必要为平均风速或风压规定一个共同的标准。我国建筑结 构荷载规范( g b s 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 将地貌按地面粗糙度分为a 、b 、c 、d 四类。a 类指近 海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；b 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比 较稀疏的乡镇和城市郊区；c 类指有密集建筑群的城市市区；d 类指有密集建筑群且 1 0 基于风向的建筑工程设防风速预测研究 房屋较高的城市市区。 ( 3 ) 平均风速时距 平均风速的数值与平均时距( 即求平均风速的时间间隔) 的取值很有关系。不同的 平均时距取值可以得到不同的平均风速。如果取极短的时距( 例如1 秒钟) ，则一般只 能反映较高的风速影响，对于较低风速在平均风速中起的调解作用则得不到反映，因 而一般数值偏高，真实性较差。如果取较短的时距( 例如1 分钟) ，虽然比前面真实性 有所提高，但是在各个时距段中平均风速亦可以相差极大，因而也难作出统一合适的 标准。一般言之，时距愈长，平均风速也就愈小。通常认为，在1 0 分钟至一小时内 的平均风速，基本上是一稳定值，我国规范规定以1 0 分钟为取值标准。不同时距与 l o m i n 时距风速换算系数可近似按表2 3 取值。 表2 - 3 不同时距与l o m i n 时距风速换算系数p 1 】 实测风速时距 6 0 m i nl o m i n5 m i n2 r a i nl m i n0 5 r a i n2 0 sl o s5 s 瞬时 时距换算系数 0 9 4 01 o o 1 0 71 1 61 2 01 2 6 1 2 81 3 5l - 3 91 5 0 ( 4 ) 最大风速的样本 最大风速样本的取法影响着平均风速的数值。如果以日最大风速为样本，则一年 有3 6 5 个样本，具有低风速的日子占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占有 1 3 5 6 的权，因而最大风速的重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低。 如采用月最大风速，则最大风速在整个数列中也只占有1 1 2 的权，也降低了最大风速 所起的重要性，所得结果也是偏低的。工程结构应该能承受一年中任何日子的极大风 速，因此应取年最大风速为样本，这也符合最大风速的自然出现周期。 ( 5 ) 最大风速的重现期 在抗风设计中，我们并不是选取实际风的平均值作为设计依据，而是选取比平均 值大得多的某个值来进行设计。在长期的气象观察中发现，大于该值的极大风速并不 是经常出现，而需间隔一定的时期后再出现，这个间隔时期，称为重现期。重现期不 同，设计风速也不同。因而是在概率意义上体现了结构的安全度，或不超过该值的保 证率。换句话说，结构的安全度和不超过该值的保证率，可用重现期