相信身為結(jié)構(gòu)工程師的你也曾思考過這樣一個問題：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的基本風(fēng)壓對應(yīng)的是幾級風(fēng)？下文我們將圍繞這個問題進(jìn)行簡單論述。

風(fēng)速和風(fēng)壓

風(fēng)速和風(fēng)壓之間的關(guān)系可以用下面這個式子表達(dá)：          （1）

式中，圖片為風(fēng)壓；圖片為空氣密度；圖片為風(fēng)速。

    空氣密度與海拔、氣壓、溫度等諸多因素相關(guān)，所以理論上風(fēng)速和風(fēng)壓的對應(yīng)關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的。為了能夠得到統(tǒng)一的相關(guān)性，在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中將空氣密度統(tǒng)一為1.25kg/m3，因此，式（1）簡化為：               （2）

客觀上講，其它因素對空氣密度的影響還是比較明顯的，如溫度和空氣密度的關(guān)系如下圖：

與空氣密度為1.25kg/m3對應(yīng)的空氣溫度約為10 0C。

風(fēng)力等級和風(fēng)速

    風(fēng)力是指風(fēng)吹到物體上所表現(xiàn)出的力量大小。根據(jù)《臺風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》，以風(fēng)吹到地面或水面的物體上所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)，把風(fēng)力的大小分為18個等級，最小是0級，最大為17級。比較常用是“蒲福風(fēng)力等級表“，如下表：

     從上表中的信息可見每一個風(fēng)力等級均對應(yīng)一個風(fēng)速范圍，如12級風(fēng)力對應(yīng)的風(fēng)速范圍為32.7~36.9m/s。根據(jù)前文講到的風(fēng)速和風(fēng)壓的關(guān)系公式，可以得到12級風(fēng)力對應(yīng)的風(fēng)壓，但在這之前還需要弄清楚一個問題，便是這個風(fēng)速的測試條件。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的風(fēng)速是離地10米處，10分鐘平均年最大風(fēng)速。

《熱帶氣旋等級》（GB/T 19201-2006）規(guī)定的蒲福風(fēng)力中的風(fēng)速是指離地10米處，以正點前2分鐘至正點內(nèi)的平均風(fēng)速。

    通過上述兩者的比較，不難得到以下結(jié)論: (1) 兩者均以離地10米處為測試點；(2) 兩者均為一個時間段內(nèi)的平均風(fēng)速；(3) 兩者的測試時距不同，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的風(fēng)速為10分鐘持時內(nèi)平均風(fēng)速，而風(fēng)力等級對應(yīng)的風(fēng)速為2分鐘持時內(nèi)的風(fēng)速。

因此，想要得到兩者的對應(yīng)關(guān)系，還得首先弄清楚測試時距與平均風(fēng)速之間的關(guān)系。

時距和平均風(fēng)速

從概念上判斷，不難理解較短的時距內(nèi)測試得到的平均風(fēng)速較高，但要想得到兩者之間的定量對應(yīng)關(guān)系，還是需要基于一定的試驗或理論。

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：

美國ASCE也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，如下圖：

上圖中實線是Durst曲線，虛線是用于颶風(fēng)時距換算的ESDU曲線。

兩條曲線得到的換算關(guān)系有所不同，按照ESDU曲線的換算主要流程如下：

（1）t秒平均風(fēng)速對1小時平均風(fēng)速穿越率                  (3)

（2）計算t秒平均風(fēng)速的均方根與實際均方根的比值           (4)

（3）計算峰值因子            (5)

（4）1小時平均風(fēng)轉(zhuǎn)換到t秒平均最大風(fēng)速的陣風(fēng)因子               (6)

(5) 由2分鐘平均最大風(fēng)速換算到10分鐘陣風(fēng)的陣風(fēng)因子          (7)

算例

求12級臺風(fēng)對應(yīng)的基本風(fēng)壓？

根據(jù)《臺風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》，12級臺風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)速為32.7~36.9m/s2，

（1）按照ESDU曲線換算  

12級臺風(fēng)對應(yīng)的10分鐘平均風(fēng)速為30.7~34.7 m/s2，轉(zhuǎn)為對應(yīng)的風(fēng)壓為0.59~0.85kN/m2。

（2）按照Durst曲線換算   

12級臺風(fēng)對應(yīng)的10分鐘平均風(fēng)速為29.1~32.8 m/s2，轉(zhuǎn)為對應(yīng)的風(fēng)壓為0.53~0.67kN/m2。

 筆者觀點

     通過上述方法，我們似乎找到了風(fēng)壓和風(fēng)力等級之間的定量關(guān)系。然而，由于風(fēng)速與時距的關(guān)系尚存在明顯不確定性（還有一些資料給出了不同的對應(yīng)關(guān)系），我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還是應(yīng)盡量避免針對不同時距的風(fēng)速轉(zhuǎn)換，盡量采用前后統(tǒng)一的規(guī)范體系，例如美國ASCE給出的基本風(fēng)速是基于3秒的陣風(fēng)，而我們的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是基于10分鐘平均年最大風(fēng)速，兩者之間存在根本上的區(qū)別。