國內外基本風速標準的比較研究

劉德平，趙永勝，陳全勇，張文杰

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

國內外基本風速標準的比較研究

劉德平，趙永勝，陳全勇，張文杰

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

隨著國外電力勘測設計市場的不斷拓展，對國外勘測設計規范的理解和掌握就顯得越來越重要。本文結合目前國外市場的開拓情況，對美國、歐洲等國的風荷載規范的基本風速標準進行了對比研究。通過分析各國風荷載規范中對基本風速定義方面的差異，結果表明各國在設計風速的差異主要體現在基本風速的時距和重現期兩方面，本文還給出了風速轉換中的常用關系和有關國家的標準名稱，便于在實際工作中引用。

國內外；基本風速；差異；轉換。

1 問題的提出

隨著國外電力勘測設計市場的不斷拓展，對國外勘測設計規范的理解和掌握就顯得越來越重要。在電力勘測設計方面，水文氣象專業需要對風速資料進行搜集、整理和分析。由于國外風荷載規范的差異較大，這就需要研究各國在基本風速方面的相關規定，找出其與中國規范的差異，并轉換為中國規范相應的設計風速，使得結構專業可以根據國內的結構設計軟件進行相關風荷載分析計算。

2 中外風荷載標準中基本風速

2.1 中國荷載規范中的基本風速

中國規范中基本風速v0的定義是：一般空曠平坦地面B類粗糙度，離地10m高10min平均時距，按50年重現期確定的年平均最大風速。

當風以一定的速度向前運動遇到阻塞時，將對阻塞物產生壓力，即風壓。一般采用某一時段(如10min)的平均風速而不是瞬時風速，作為確定風壓和衡量風災的依據。風速與風壓的關系如下：

中國標準《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)規定：當風速按年最大值取樣，采用極值I型，推求50年一遇10m高10min平均最大風速時，得到的設計風速。

2.2 國外荷載規范中的基本風速

目前國外主流的風荷載規范是美國標準和歐洲標準，其他國家大多以這兩種規范為基礎，做相應的調整。結合目前國外市場的開拓情況，本次研究先后搜集到了美國、歐洲、英國、印度、越南、馬來西亞、印度尼西亞、菲律賓、委內瑞拉等國與風荷載規范相關的文獻。

2.2.1 美國風荷載規范中的基本風速

美國現行風荷載規范為《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(ASCE/SEI 7-10)，自2010年1月1日實施。這之前的風荷載版本為《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》(ASCE/SEI 7-05)，該版本在風荷載部分仍沿用關于基本風速的定義，因此參考美國標準的其他國家的關于基本風速的定義亦與ASCE/SEI 7-05中基本風速的定義一致。

美國規范中基本風速v0的規定是：C類粗糙度場地，離地33ft高(即高10m)，時距為3s的陣風風速，按50年重現期確定的年平均最大風速。

根據文獻4的研究，現行的ASCE/SEI 7-10規范中，關于基本風速的重現期與ASCE/SEI 7-05發生了較大變化，05版本對于除易遭受颶風影響的地區采用500年一遇的標準外，其他地區(一般地區)的基本風速重現期均采用50年一遇的標準。10版本根據建構筑物遭受風災后的損失不同采用不同的平均重現期，不同建(構)筑物風災害類別分別取為300年、700年或1700年。按照同一地區、同一類建(構)筑物新舊規范計算出的風荷載相等的原則確定的，也就是說ASCE/SEI 7-10中的重現期是按照新舊規范風荷載相等的原則計算出來的。

2.2.2 歐洲風荷載規范中的基本風速

現行的歐洲荷載規范《Eurocode 1:Actions on structures-General actions-Part 1-4:Wind actions》(EN 1991-1-4:2005)中關于基本風速的定義與中國荷載規范一致，均為離地10m高50年一遇10min平均最大風速。歐洲各國自己按照歐洲標準制定本國的基本風速圖。

2.2.3 英國風荷載規范中的基本風速

英 國的風荷載規范為《Loading for buildings-Part 2:Code of practice for wind loads》(BS 6399-2:1997)，在歐洲規范實施后其過渡期截止2010年。英國對現行歐洲規范的編號為《Eurocode 1: Actions on structures— Part 1-4:General actions –Wind actions》(BS EN 1991-1-4:2005)，因此目前英國執行了歐洲規范。

2.2.4 其他各國風荷載規范中基本風速

本次研究主要依靠互聯網進行了大量的搜資，先后收到了印度、菲律賓、馬來西亞、印度尼西亞、委內瑞拉、新西蘭等國的標準，其基本風速在時距、重現期方面的差異列于表1。

有關文獻指出，越南規范正向歐洲規范靠攏，即擬采用50年一遇10min平均最大風速；委瑞瑞拉的風速時距特別怪異，其時距為74s。馬來西亞規定50年一遇3s風速不低于32.5m/s，近海不低于33.5m/s。

不同國家對內陸和沿海采用不同的重現期標準，內陸標準大多為50年一遇，沿海考慮臺風影響，其重現期標準高于內陸。

2.3 中外荷載規范中基本風速的差異及轉化關系

2.3.1 基本風速差異分析

通過分析各國風荷載規范中對基本風速定義方面的差異，結果表明，各國在設計風速的差異主要體現在基本風速的時距和重現期兩方面。在各個國家的風荷載標準中，標準時距取值存在不一致，例如，美國、印度、澳大利亞取3s；中國、前蘇聯、日本、歐洲規范和國際標準化協會ISO取10min；加拿大取1h。具體差異見表1。

表1 國內外基本風速采用的標準

2.3.2 轉換關系

由于脈動風的影響，時距越短，風速值就越大。在利用不同規范進行風荷載計算時，通常需要注意對基本風壓進行兩個方面的換算：時距和重現期。

(1) 時距轉換

時距不同，所求得的平均風速也不同。文獻[5]根據國內外學者對不同時距平均風速的比較，統計得到了近似的比值關系見表2。需要說明的是，表2中給出的是平均值，實際上很多因素可能影響這個比值關系。

表2 各種不同時距與10分鐘時距風速的平均比值

(2 )重現期轉換

重現期不同，相應的最大風速值也不同。重現期的取值直接影響到結構的安全度，對于風荷載比較敏感的結構，重要性不同的結構，設計時有可能采用不同重現期的基本風壓，以調整結構的安全水準。文獻[5]根據國外規范以及我國各地風壓資料為基礎統計平均得出的比值，不同重現期風壓比值可表示為：

式中：T為待轉化的重現期。

對于重現期為30年或50年的風速，可利用表3的數值進行轉換。

表3 不同重現期風壓比值

中國標準《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)規定：全國各個站臺重現期為10年、50年和100年的風壓給出了參考值(規范附表D.4)，其他重現期R的相應值可按下式確定：

xR、x10、x100—重現期為R、10、100年的風壓。

以上是關于風壓重現期的比值關系。

而關于不同重現期風速的比值，建議先將風壓進行重現期轉換再由風壓轉化為風速，或采用文獻[1]中的Peterka-Shahid公式：

(6)式是50年重現期的風速與其它重現期T的換算關系。該式在美標ASCE/SEI 7-10中已有體現。

需要說明的是，不同重現期風速的轉化關系，是基于缺少風速系列資料的原因，在有資料情況下應以風速系列的頻率分析為準，因為風壓由風速計算而得，而風速服從相關的統計分布規律。

3 幾點建議

(1) 各國規范在不斷修訂，基本風速或風壓也許會發生變化，需要隨時跟蹤掌握，如美國和英國規范。

(2) 考慮到各國基本風速定義的差異，涉外勘測設計中對于風速(或風荷載)的取值宜執行合同中給定的風壓取值或征得當地業主的認可。

(3) 有些國家規定基本風速或風壓必須執行其國家的標準取值，設計人員不可以收集原始資料來分析，如獨聯體國家。

(4) 有些國家的基本風速(風壓)的給定重現期較低，在轉化為中國標準時會很大，建議在考慮合同中給定的技術條件的前提下，在安全與經濟上尋求平衡以期業主和總包商提供更好的服務。

[1]ASCE/SEI 7-10．Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S]．

[2]ASCE/SEI 7-05．Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S]．

[3]C,E,N, Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4:General actions - Wind actions[S]．

[4]劉迪，等．2010年版美國建(構)筑物荷載規范有關風荷載部分修改簡介[J]．鋼結構，2011，(2)．

[5]張相庭．工程結構風荷載理論和抗風計算手冊[K]．上海：同濟大學出版社，1990．

Comparative Study between Domestic And Foreign Basic Wind Speed Standard

LIU De-ping, ZHAO Yong-sheng, CHEN Quan-yong, ZHANG Wen-jie
(Central southern Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

As the market of electric Power Survey design continues to expand, understand and master of the foreign survey design specification becomes increasingly important. Combining the research of our overseas market, the United States, Europe, the United Kingdom, India, Vietnam, Malaysia, Indonesia, the Philippines, Venezuela and other countries wind load specifications related to the design wind speed yield criterion of a comparative study. The results showed that by analyzing the basic wind speed defined differences in countries wind load specifications, the design wind speed differences are mainly re fl ected in two aspects of the basic wind speed time-distance and return period, also commonly given wind speed conversion name and the relevant national standards, to facilitate practical work references.

wind speed; difference; conversion.

P49

B

1671-9913(2013)02-0030-04

2012-09-29

劉德平(1966- ) , 男, 湖北仙桃人, 高級工程師, 主要從事工程水文氣象研究。