基本分压及规定

基本分压及规定一、引 言随着科学技术和国民经济的发展，高层建筑和高耸结构的建设在全国呈现出迅猛发展的态势，风灾对高层建(构)筑物的破坏越来越引起人们的重视。狂风暴雨酿成屋毁人亡、公交瘫痪。国内外统计资料表明，在所有的自然灾害中，风灾造成的损失最大。我国是世界上台风、龙卷风等风灾最集中的地区之一。根据统计，19821990年期间，台风造成的年平均损失达41.6l亿元人民币；1992年共有8次热带气旋在我国华南沿海登陆，直接经济损失达126亿人民币，可见风灾是自然灾害中对现代城市高层建筑危害最大之一。2004年l4号台州遭遇到了自1956年以来风速最大、风力最强、持续时间最长的超强台风“云娜”，造成了重大创伤。专家对此进行了分析并建议：根据国家现行风荷载规范规定，结合台州实际，进行风荷载科学取值。基本风压数据的提供就成了关键中的关键。然而当地大部分设计师引用周边地区的气象数据，更有甚者引用省外的气象数据，再者其引用的基本风压值未考虑近年气象要素资料，绝大部分用的是80年代以前的气象要素；对于不同的建筑物不同的用途，采用同一气象要素对基本风压的数值偏差埋下了伏笔。所以可见如何科学的计算风压，它关系到整个建筑物的安全性和是否经济，风压考虑太大，会增加建筑成本；风压考虑太小，会造成坍塌事故。二、风速与风压的关系及基本风压概念的引入空气从气压大的地方向气压小的地方的流动形成了风，当气流在建筑物前受阻壅塞时，形成了高压气幕。流速越大，对建筑物的压力也越大。但这层高压气幕对后来的气流起到了缓冲的作用，使得流速降低。建筑物所受压力因而也随之减小。当流速减小到一定程度时，后而接踵而至的气流又继续加强使建筑物前的流速获得新的较大的速度，从而又在建筑物前形成高压气幕。流速一大一小连续地变化，使建筑物的压力即风压也因之发生变化。由伯努利定律知，其中 为自由气流的速度。 为无阻自由气流的压力。 为为障碍物(建筑物)上任意一点的速度。 为障碍物(建筑物)上任意一点的压力。因此在v=0的地方，例如平板的中心点，静压力即等于自由气流中的动压力(风压)。即 ，则加于障碍物上的的风压力为 基本风压的值 其中（在文末附有空气密度的计算）则根据风速可以求出风压。但由于风压在地面附近受到地面物体的阻碍造成风俗随离地面高度不同而变化。另一方面，地貌环境的不同造成了同样的高度不同的环境的风速也不同。为了比较不同地区风速或风压大小，必须对不同地区的地貌，测量风速的高度有所规定。则按规定地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。三、基本风压的五个规定1、 标准高度的规定风是大气中气团运动形成的，受到地面上各种障碍物的影响，邻近地表一定高度的流动风显得格外紊乱。一般离地面愈近，因为摩擦能量消耗较大，因此流速较小。只有远离地面一定高度之后，才不受这些障碍物的影响，这个高度称为梯度风高度。一般约为300500米之间，所以为了比较不同地方的风速大小，必须规定统一的标准高度。一个国家在确定标准高度时考虑到多方面的原因。我国气象台风速仪大都安装在812米之间。因此我国规范确定以10米为标准高度。目前世界上规定10米为标准高度的占大多数，如美国、加拿大、澳大利亚等。日本采用离地15米，瑞士为520米。实际上不同高度的规定在技术上并没有太大的影响。因为可由风压高度变化系数进行换算。我国在1970年以前规定离地20米为标准高度，而今标准高度变化的主要原因在于我国风速资料按台站风仪，其标准高已改用为10米。2、 地貌的规定目前大多数的风速仪多安装在气象台，而气象台多在城市周围的空旷地面处，所以我国以及世界上的大多数国家都规定：基本风压的地貌按空旷平坦地貌而定。3、 公称风速（即平均风速）的时距公称风速实际是一定的时间间隔内(称为时距)的平均速度,即式中 V(t)瞬时风速时距公称风速的数值与时距（即求公称风速的时间间断）的取值有着莫大的联系。如果时距取极短的时间（如一秒钟），则最大风速只反映记录中最大值附近的较大数值的影响，较低的风速在公称风速中起的调节作用得不到反映，因此一般数值偏高，真实性较差。如果取较短的时间（如1分钟），虽较前者真实性有所提高，但在各个所取的同一时距区段中公称风速亦可根本不同，因此亦难做处出统一的合适的标准。一般时距延长，公称风速变小。风速记录表明在10分钟到一小时内的风速是一个稳定值。我国规范规定以10分钟为取值标准。首先，这是考虑到建筑物的物体除个别物件以外，对于整个建筑物而言，一般质量比较大的受到的阻力也较大。因此，风压对建筑物产生不利的 影响需要长一些的时间才能反映出动力性能。所以不能取较短时距，甚至瞬时极大风速作为标准。以发生在汕头的一次台风为例。1970年9月14日11号在汕头惠东登录的台风，其瞬时风速曾经达到33.3米每秒，没有造成灾害，可是1967年6月20日2号在汕头附近登录的台风，虽其瞬时风速仅为30.6米每秒，却造成了极大的灾害。这是由于前者的十分钟的平均风速为16.5米每秒，后者却达到了21.5米每秒之故。从全国来看，不少地方层层出现过35.0米每秒的瞬时风速，但是破坏力都不大，然而若同时十分钟的平均最大风速超过23.0米每秒，都会出现不同程度的灾害。这就是说明仅利瞬时风速或极短时距的平均风速来计算风压而不考虑较长时距的测量是不够合理的。其次，一般建筑物总有一定的倾向长度，而最大瞬时风速不可能同时作用在全部的长度上，当某一点达到最大瞬时风速时候，较远的一点就变小些因而建筑的倾向长度越长，其平均风速也越小这也说明了采用瞬时风速的不合理。采用一定时间的时距，反映瞬时最大值和较低值之间的平均关系，才能反映实际情况。从全国来说，不少地方曾出现过超过35m/s的瞬时速度，但破坏力都不大。然而若10分钟公称风速超过23m/s时都出现了不同程度的风灾事故。所以仅利用瞬时速度或者极短时距的公称风速来计算风压，而不考虑较长时间的时距是不合理的。4、 最大风速的样本时间一年之中，只有一次风速是最大的，它应该在统计场中占有重要地位，如果采用日最大风速，则最大风速在整个数列中占1/365的权，因而最大风速的重要性大大降低，在统计数值上也大大降低，如果采用月最大风速，则每年的最大风速也只占1/12的权，也降低了年最大风速在决定风压中的重要性，所以结果是偏低的，对于建筑物，应该承受任何日子，任何月份的极大风速。因此应该考虑年最大风速。最大风速还有它的自然周期，每年重复一次，东南沿海的最大风速多在夏季半年，西北内陆多在冬季半年，所以采用年最大风速作为统计样本，也是比较合适的。但是如果改取几年中的样本，就不能反映这种最大风速的自然周期，而从统计上说，从几年的资料中选取一个极值，放弃若干年的最大值，实际上就造成了资料的浪费。所以实用上，常取年最大风速，即一年中仅出现一次的最大风速。5、 基本风速的重现期不同的重现期对应不同的基本风压值。为确保建设项目结构的安全度，现行规范将基本风压的重现期由以往的30年统一改为50年，但对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，以及自重较轻的钢木主体结构，其基本风压值可根据结构的自身特点，考虑适当提高重现期；对于围护结构，其重要性与主体结构相比要低些，可仍取50年；对于其他设计情况，其重现期也可由有关的没计规范另行规定，或由设计人员自行选用。50年一遇最大风速。所谓50年一遇并非50年一定出现一次，而是指这样大的风每50年有可能出现一次。必须明确即使有50年的资料，挑选出来的也不一定就是统计最大值。因此必须用数理统计的方法进行计算。计算所得50年一遇的基本风压值小于03 kNm ，（规范规定要取值03）设基本风压的重现期为T0年，则为每年实际风速超过基本风俗的概率，因此每年不超过基本风俗的概率或保证率为如重现期为30年，则其保证率为96.67%实际每年的最大风俗是不同的，因此可以认为年最大风俗为一个随机变量下为最大风速的概率密度分布.显然基本风速的重现期越大,其年保证率越高，则基本风速越大。综上所述，基本风速是根据规定的高度、规定的地貌、规定的时距和规定的样本时间所确定的最大风速的概率分布，按规定的重现期（或年保证率）确定的基本风速。（在文末附有全国基本风压分布图）四、基本风压的应用温室作为一种特殊形式的农业建筑，风荷载在这种结构中占有重要的地位，计算取值直接影响着其安全性和经济性。而基本风压是计算风荷载的基础，同时也是中国温室的建设投资以及合理布局的重要参考依据。温室结构荷载规范对基本风压的定义如下：以当地比较空旷平坦地面上, 离地10 m 高, 根据极值I 型分布函数统计所得的30年一遇10min平均最大风速V 0 为标准，按W 0 = V 2/1600确定风压值。其中逐年的最大风速值是一种随机变量，它的出现频率及分布规律可用数理统计方法求得，所以采用极值型分布函数来描述最大风速的分布。其分布函数表达式为：其分布密度函数表达式为： 保证率函数表达式为： 其中称为尺度参数，u是分布密度的众数。根据温室的特点，对以上定义中基本风压重现期、风速测量高度、平均风速时距的取值进行修正。1、重现期的修正：新规范(GBJ5009-2001) 修订基本风压的重现期为50 年, 而对于中国国内的温室, 竹木结构简易温室使用寿命仅为5 10 年, 而一般钢结构温室使用期限也不过20年左右的时间，因此若按规范中的定义取值必然会令计算出的设计风压偏大从而造成材料的浪费。中国温室种类繁多，由于其使用功能以及用户需求上的差异，在规模和结构安全度上也各不相同，因此制定一个单一的重现期标准是不切实际的。基于上述考虑将其定为530 年，即基本风速的保证概率在80. 0%96. 7%之间取值。2、风速测量高度的修正：规范中规定以10m高为标准高度，而对于一般的生产性温室，在不考虑外遮阳的情况下，温室平均高度(檐高与屋面矢高一半的和) 大都在6m 以下，一般只有4m左右，对于中小拱棚则更低。因此需要将风速测量高度适当降低，取37m即可。3、对平均风速时距的取值的修正：工民建筑的基本风压是以10min 平均最大风速作为统计样本, 但对于温室这类轻型结构, 特别是自重很轻的塑料大棚，采用10min为时距是偏危险的。实践证明: 往往瞬时(或数秒钟) 风速就将导致覆盖材料，甚至骨架的破坏。因此, 计算温室的基本风速V 0 时应采用平均时距小于10min的平均风速作为统计样本，再根据极值I 型分布函数求得。风速记录表明, 瞬时风速要远大于10min平均风速，因此一定高度测量出的年最大瞬时风速资料计算出的一定重现期最大风压值也远大于用相同高度测量出的10 min平均年最大风速资料所求出的相同重现期的最大风压值。下图为某城市年最大10min平均风速与年最大瞬时风速的极值型分布与经验分布从图中看出，瞬时风速样本的极值型分布曲线可近似看作10mi平均风速样本的分布曲线向右平移了一定距离,其他时距的样本分布曲线则必然位于这两者之间，也就是说，由其他时距的年最大风速资料所计算出的N年一遇的最大风速值，其所在点必然位于这两条曲线之间。从基本风压在温室中的应用中我们可以发现如何对于非标准条件下的风压进行换算很重要。五、非标准状况下的风速或风压的换算基本风压是按照规定的标准条件规定的，但是实际工程中结构的抗风计算时候，需要考虑很多情况，如表准高度，非标准地貌，非标准时距，非标准重现期。因此有必要了解非标准条件下与标准条件之间的风速风压的换算关系1、非标准高度的换算即使在同一地区，高度不同，风速将不同，其变化规律为： 式中、z为任一点的平均风速和高度、为标高度的平均风速和高度为与地面粗糙程度有关的指数则有非标准条件下的风压的换算为： 2、非标准地貌的换算地表的粗糙程度不同,近地面的风速变化的快慢不同，地面月粗糙，风速变化越慢，反之，地面越平坦，风速变化越快。设标准地貌的基本风速及其测定高度/梯度风高度和风速变化指数分别为另一任意地貌的上述各值分别为由于同一大气环境中的各类地貌的梯度风速应相同，则可知可得任意地貌的基本风压与标准地貌的基本风压关系为：建筑结构荷载规范（GB500092001）将地面粗糙度等级由过去的三类（A、B、C）改为四类（A、B、C、D），这是考虑到我国近年来建设事业蓬勃发展，城市房屋的高度和密度日益增大，因此，对大城市中心地区，其粗糙程度也有不同程度的提高，增加D类。同时考虑到大多数发达国家，如美国，英国，日本等国家的规范，以及国际标准（ISD4354）和欧洲统一规范（EN199124）都将地面粗糙度等级划分为四类（日本分为五类），为适应当前发展形势，新规范修订时规定地面粗糙度等级为四类。具体为：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区B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类指有密集建筑群城市市区D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区各类地貌的及HT 值如下表所示，（设基本风压按10m高处的风压确定，标准地貌为B类，求其他地貌基本风压与标准地貌基本风压的数量关系。） 我国各类地貌的及HT 值地貌A BCD012016022030HT3003504004504、不同时距的转换各种不同时距与10分钟时距风速的平均比值风速时距1h10min5min2min1min0.5min20s10s5s瞬时统计比值0.9411.071.161.201.261.281.351.391.50应该指出，此表列出的是品均比值，实际上有许多因素影响该比值，其中重要的有1) 平均风速值2) 天气变化情况。一般天气变化剧烈，该比值越大。5、不同重现期的换算重现期不同则最大风速的保证期就不同，相应的最大风速值也就不同。不同重现期风压与50年重现期风压的比值重现期T0（年）100503020105310.50.1141.000.9160.8490.7340.6190.5350.3530.239为了便于计算有有如下的近似公式： 六、基本风压值的调整系数凡是符合下列情况时候，基本风压值应乘以调整系数，即式中为按“全国基本风压分布图”的规定应用的基本风压为基本风压的调整系数。1. 高层建筑和高耸结构高层建筑和高耸结构,根据其重要性基本风压值分别乘以表中道德调整系数,建筑类别一般的特别重要的高层建筑高耸结构高层建筑高耸结构基本风压调整系数1.101.101.201.202. 山区山区类别山间谷地盆地等闲塞地形与大风向一致的谷口，山口山顶（按山麓附近的风压）山高50米山高50米风压调整系数0.75-0.851.2-1.51.53.23. 海面和海岛沿海海面海岛因其对空气所施加的摩擦曳引力比陆上小，所以一般风速较大陆为大。同时由于沿海一带的海陆有一定的温差，夏季一般海面与海岛比大陆要低，冬季则相反，因此使海面和海岛的风速增大，其基本风压值，当缺乏实际资料时候，可按邻近陆上的基本风压值，乘以表中的调整系数。海面与海岛距