我們先從一段實測的臺風(fēng)時程說起。

"奧森"路徑

觀測位置

風(fēng)速時程

上圖是1989年強熱帶氣旋奧森的實測結(jié)果。測量點在距澳大利亞西海岸130km的海上平臺上(距海平面高度36.4m)。圖中給出的結(jié)果包括：

V600——10min平均風(fēng)速

V60——1min平均風(fēng)速

V60,600——10min內(nèi)的1min平均最大風(fēng)速

V3,600——10min內(nèi)的3s平均最大風(fēng)速

V3,3600——1小時內(nèi)的3s平均最大風(fēng)速

風(fēng)速時程曲線持續(xù)3小時，展現(xiàn)了臺風(fēng)眼經(jīng)過測量點的全過程，其中高達132.6m/s和91m/s的3s陣風(fēng)，被標注為可疑風(fēng)速，不能確定是設(shè)備故障還是真實出現(xiàn)的陣風(fēng)風(fēng)速。

從風(fēng)速時程曲線可以看到，1min平均風(fēng)速圍繞10min平均風(fēng)速上下波動，隨時間的變化較為頻繁;而1小時平均風(fēng)速(圖中未表示)，則抹平了臺風(fēng)大的發(fā)展趨勢，無法反映臺風(fēng)隨時間變化的非平穩(wěn)特征。用10min平均風(fēng)速描述風(fēng)速的平均強度是最合適的。

另外，顯而易見的是，對風(fēng)速進行平均時選取的時距越小，得到的最大值就越大(如上圖V3,600>V60,600)。我們自然想知道，不同平均時距得到的風(fēng)速最大值之間，是否可以進行換算?如果能將10min平均最大風(fēng)速換算為3s平均最大風(fēng)速，就能夠回答建筑能抗幾級陣風(fēng)的問題了。

其實，這一直是氣象學(xué)和風(fēng)工程學(xué)界關(guān)心的問題。遺憾的是，迄今為止人們對“大氣湍流”的認知遠遠談不上充分，理論模型還很不完備，只能結(jié)合實測資料給出半經(jīng)驗的粗略估計。

下圖是臺風(fēng)條件下，不同時距平均得到的最大風(fēng)速與1小時平均風(fēng)速之間的換算系數(shù)(該換算系數(shù)稱為“陣風(fēng)因子”)?？梢钥闯觯m然各組數(shù)據(jù)的趨勢一致，時距越短，陣風(fēng)因子越大，但由于環(huán)境條件、氣象條件的差異很大，具體數(shù)值的分布仍非常離散。比如由1小時平均風(fēng)速換算到3s陣風(fēng)，實測得到的陣風(fēng)因子就在1.25到1.72之間。

陣風(fēng)因子

盡管存在種種不確定性，但工程實踐中往往需要對陣風(fēng)和平均風(fēng)進行換算。美國ASCE/SEI 7-16給出了不同時距的平均最大風(fēng)速與1小時平均風(fēng)速的轉(zhuǎn)換曲線，可供設(shè)計人員在時距轉(zhuǎn)換時參考。

陣風(fēng)因子

Durst在1960發(fā)表的論文中，根據(jù)實測資料給出了1小時平均風(fēng)速換算為不同時距平均最大風(fēng)速的換算系數(shù)，如下表所示：

上圖的實線就是將這些數(shù)據(jù)繪制成曲線得到的結(jié)果，虛線給出的是用于颶風(fēng)(美國對“臺風(fēng)”的稱呼)時距換算的ESDU曲線。該曲線可按以下過程進行計算：

首先計算t秒平均風(fēng)速對1小時平均風(fēng)速的穿越率：

再計算t秒平均風(fēng)速的均方根與實際均方根的比值

然后計算峰值因子

最后得到1小時平均風(fēng)到t秒平均最大風(fēng)速的陣風(fēng)因子

根據(jù)Durst曲線，由10min平均最大風(fēng)速換算到3s陣風(fēng)的陣風(fēng)因子可用下式計算：

雖然該數(shù)值不一定具有普適意義，但用以估算風(fēng)力等級范圍是沒問題的。對比蒲福風(fēng)級表，我們就可以知道建筑能抵抗的陣風(fēng)級別大致比平均風(fēng)速要高2~3個級別。比如按照基本風(fēng)壓0.40kN/m2設(shè)計的建筑物，能夠抵抗10級10min平均風(fēng)速的作用，也可以抵抗12級3s陣風(fēng)的作用;對于深圳正規(guī)設(shè)計的建筑物，能夠抵抗12級10min平均風(fēng)速的作用，也可以抵抗15級3s陣風(fēng)的作用。本月山竹臺風(fēng)登陸期間，在深圳大鵬新區(qū)羅屋田水庫測得的最大陣風(fēng)風(fēng)速為15級(46.5米/秒)，與設(shè)計風(fēng)速基本相當。

需要注意的是，由于風(fēng)速時距轉(zhuǎn)換存在很大不確定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當盡量避免對風(fēng)速時距進行換算。例如：中美規(guī)范對基本風(fēng)速的定義不同，如果采用中國規(guī)范設(shè)計美國的建筑，盡量避免直接用美國ASCE7-16給出的基本風(fēng)速(用3s陣風(fēng)定義)進行時距換算。最好對當?shù)氐?0min平均年最大風(fēng)速進行統(tǒng)計，得出符合中國規(guī)范要求的基本風(fēng)速。

參考資料

1. GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，2012

2. QX/T 51-2007《地面氣象觀測規(guī)范》，2007

3. ASCE/SEI7-16，Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures，2016

4. World Meteorological Organization，Guidelines for Converting between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions，2010

5. Durst C. S.，Wind speeds over short periods oftime，Meteorological Magazine，89，181-187，1960

6. Engineering Science Data Unit，Item No. 83045，Strong winds in the atmospheric boundarylayer. II: Discrete gust speeds.，London，2002

以上內(nèi)容為：陣風(fēng)與平均風(fēng)——結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當知道的風(fēng)速常識之二，僅供大家參考。查看更多免費學(xué)習(xí)資料，點擊免費下載>>>結(jié)構(gòu)工程師試題/考點精華