阵风与平均风——结构工程师应当知道的风速常识之二

我们先从一段实测的台风时程说起。

"奥森"路径

观测位置

风速时程

上图是1989年强热带气旋奥森的实测结果。测量点在距澳大利亚西海岸130km的海上平台上(距海平面高度36.4m)。图中给出的结果包括：

V600——10min平均风速

V60——1min平均风速

V60,600——10min内的1min平均最大风速

V3,600——10min内的3s平均最大风速

V3,3600——1小时内的3s平均最大风速

风速时程曲线持续3小时，展现了台风眼经过测量点的全过程，其中高达132.6m/s和91m/s的3s阵风，被标注为可疑风速，不能确定是设备故障还是真实出现的阵风风速。

从风速时程曲线可以看到，1min平均风速围绕10min平均风速上下波动，随时间的变化较为频繁;而1小时平均风速(图中未表示)，则抹平了台风大的发展趋势，无法反映台风随时间变化的非平稳特征。用10min平均风速描述风速的平均强度是最合适的。

另外，显而易见的是，对风速进行平均时选取的时距越小，得到的最大值就越大(如上图V3,600>V60,600)。我们自然想知道，不同平均时距得到的风速最大值之间，是否可以进行换算?如果能将10min平均最大风速换算为3s平均最大风速，就能够回答建筑能抗几级阵风的问题了。

其实，这一直是气象学和风工程学界关心的问题。遗憾的是，迄今为止人们对“大气湍流”的认知远远谈不上充分，理论模型还很不完备，只能结合实测资料给出半经验的粗略估计。

下图是台风条件下，不同时距平均得到的最大风速与1小时平均风速之间的换算系数(该换算系数称为“阵风因子”)。可以看出，虽然各组数据的趋势一致，时距越短，阵风因子越大，但由于环境条件、气象条件的差异很大，具体数值的分布仍非常离散。比如由1小时平均风速换算到3s阵风，实测得到的阵风因子就在1.25到1.72之间。

阵风因子

尽管存在种种不确定性，但工程实践中往往需要对阵风和平均风进行换算。美国ASCE/SEI 7-16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，可供设计人员在时距转换时参考。

阵风因子

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：

上图的实线就是将这些数据绘制成曲线得到的结果，虚线给出的是用于飓风(美国对“台风”的称呼)时距换算的ESDU曲线。该曲线可按以下过程进行计算：

首先计算t秒平均风速对1小时平均风速的穿越率：

再计算t秒平均风速的均方根与实际均方根的比值

然后计算峰值因子

最后得到1小时平均风到t秒平均最大风速的阵风因子

根据Durst曲线，由10min平均最大风速换算到3s阵风的阵风因子可用下式计算：

虽然该数值不一定具有普适意义，但用以估算风力等级范围是没问题的。对比蒲福风级表，我们就可以知道建筑能抵抗的阵风级别大致比平均风速要高2~3个级别。比如按照基本风压0.40kN/m2设计的建筑物，能够抵抗10级10min平均风速的作用，也可以抵抗12级3s阵风的作用;对于深圳正规设计的建筑物，能够抵抗12级10min平均风速的作用，也可以抵抗15级3s阵风的作用。本月山竹台风登陆期间，在深圳大鹏新区罗屋田水库测得的最大阵风风速为15级(46.5米/秒)，与设计风速基本相当。

需要注意的是，由于风速时距转换存在很大不确定性，结构设计时应当尽量避免对风速时距进行换算。例如：中美规范对基本风速的定义不同，如果采用中国规范设计美国的建筑，尽量避免直接用美国ASCE7-16给出的基本风速(用3s阵风定义)进行时距换算。最好对当地的10min平均年最大风速进行统计，得出符合中国规范要求的基本风速。

参考资料

1. GB50009-2012《建筑结构荷载规范》，2012

2. QX/T 51-2007《地面气象观测规范》，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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