陣風與平均風——結構工程師應當知道的風速常識之二

我們先從一段實測的臺風時程說起。

"奧森"路徑

觀測位置

風速時程

上圖是1989年強熱帶氣旋奧森的實測結果。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)。圖中給出的結果包括：

V600——10min平均風速

V60——1min平均風速

V60,600——10min內的1min平均最大風速

V3,600——10min內的3s平均最大風速

V3,3600——1小時內的3s平均最大風速

風速時程曲線持續3小時，展現了臺風眼經過測量點的全過程，其中高達132.6m/s和91m/s的3s陣風，被標注為可疑風速，不能確定是設備故障還是真實出現的陣風風速。

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

另外，顯而易見的是，對風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速最大值之間，是否可以進行換算?如果能將10min平均最大風速換算為3s平均最大風速，就能夠回答建筑能抗幾級陣風的問題了。

其實，這一直是氣象學和風工程學界關心的問題。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，只能結合實測資料給出半經驗的粗略估計。

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

陣風因子

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

陣風因子

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

上圖的實線就是將這些數據繪制成曲線得到的結果，虛線給出的是用于颶風(美國對“臺風”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秒平均風速對1小時平均風速的穿越率：

再計算t秒平均風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小時平均風到t秒平均最大風速的陣風因子

根據Durst曲線，由10min平均最大風速換算到3s陣風的陣風因子可用下式計算：

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

需要注意的是，由于風速時距轉換存在很大不確定性，結構設計時應當盡量避免對風速時距進行換算。例如：中美規范對基本風速的定義不同，如果采用中國規范設計美國的建筑，盡量避免直接用美國ASCE7-16給出的基本風速(用3s陣風定義)進行時距換算。最好對當地的10min平均年最大風速進行統計，得出符合中國規范要求的基本風速。

參考資料

1. GB50009-2012《建筑結構荷載規范》，2012

2. QX/T 51-2007《地面氣象觀測規范》，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

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