风力等级和风压

相信身为结构工程师的你也曾思考过这样一个问题： 《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。

   

风速和 风压

风速和风压之间的关系可以用下面这个式子表达：

                        （ 1 ）

式中， 为风压； 为空气密度； 为风速 。

空气密度与海拔、气压、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相当复杂的。为了能够得到统一的相关性，在《建筑结构荷载规范》中将空气密度统一为 1.25kg/m ³ ，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/m ³ 对应的空气温度约为 10  ⁰ C 。  

   

风力等级和风速  

风力是指风吹到物体上所表现出的力量大小。根据《台风业务和服务规定》，以风吹到地面或水面的物体上所产生的各种现象为依据，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，如 12 级风力对应的风速范围为 32.7~36.9m/s 。 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)  两者均以离地 10 米处为测试点；(2)  两者均为一个时间段内的平均风速；(3)  两者的测试时距不同，《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，想要 得到 两 者的对应关系，还得首先弄清楚测试时距 与平均风速之 间的关系。

时距和平均风速  

从概念上判断，不难理解较短的时距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 小时平均风速穿越率

                       (3)

(2) 计算 t 秒平均风速的均方根与实际均方根的比值

            (4 )

（ 3 ）计算峰值因子

              (5)

(4) 1 小时平均风转换到 t 秒平均最大风速的阵风因子

                            (6)

(5) 由 2 分钟平均最大风速换算到 10 分钟阵风的阵风因子

                          (7)

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/s ² ，  

（ 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/s ² ， 转为对应的风压为 0.59~0.85kN/m ² 。  

（ 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/s ² ， 转为对应的风压为 0.53~0.67kN/m ² 。  

   

笔者观点  

通过上述方法，我们似乎找到了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。