结构能抗几级风——结构工程师应当知道的风速常识之一

结构工程师经常会被问到建筑能抗几级风或者能抗多少级台风?不少工程师对此问题很挠头。为了回答问题，我们先要了解结构设计时采用的“基本风速”是怎么回事，然后需要知道“台风登陆时的最大风力”又是怎么回事，最后还要明白这两个风速之间有什么关系，才能把这个问题弄清楚。

我们先来看“基本风速”。

《建筑结构荷载规范》GB50009-2012定义基本风速为“按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速”。

从定义可知，基本风速是在空旷平坦地貌的10m高度处测量得到的，这和气象台站的观测要求相同。而10min平均最大风速，则是指在一次完整的天气过程中，先对每10min长度的风速进行平均，再从这些平均值中挑出最大的。在做风速平均时可以选用10min时间长度，也可以选用2min、1min，从而得出不同的平均最大风速。选定的时间长度，就是所谓的平均风速时距。

不同地貌环境、观测高度和风速时距下得到的风速值是不相同的，因此只有在这些条件都相同的情况下，对风速进行比较才有意义。

再来说“台风登陆时的最大风力”。

台风登陆时，是从海面吹来的，其地貌相当于荷载规范中的A类地貌;而风速时距，则采用的是2min时距。所以“台风登陆时的最大风速”，指的是A类地貌条件下2min平均最大风速。为了方便大家理解，台风强度往往也用蒲福风力等级来表示，如下表。

可见，荷载规范的“基本风速”和“台风登陆时的最大风速”还不能直接比较，我们还需要了解二者是如何换算的。

第一步，需要将2min平均最大风速换算为10min平均最大风速。根据世界气象组织的指南，对于登陆台风，大致可按下式换算：

第二步，需要将A类地貌下10m高风速转换为B类地貌10m高度。荷载规范给出的A类地貌10m高度的风压高度变化系数为1.28，对应到风速换算系数为(1.28)^0.5=1.13，因此有：

这样，我们就可以将“台风登陆时的最大风速”换算为B类地貌10m高度的10min平均最大风速了。

以今年第22号台风“山竹”为例，9月16日它在广东台山海宴镇登陆时的中心附近最大风力为45m/s。换算为10min平均最大风速约为

再换算到B类地貌是

现在，我们就可以回答建筑可以抗多少级风的问题了。

我们采用多大的基本风速进行设计，建筑就能抵抗多大的风速作用。基本风速可以用伯努利方程由基本风压计算得到。而能够抵抗多少级的台风，只需要计算基本风速对应到的“台风登陆时的最大风速”是多少就可以了。

据此，可以给出下边这张“建筑抵抗风力表”。

举例来说，深圳的基本风压为0.75kN/m2，按此标准设计的建筑，可以抵御最大风速34.6m/s(指标准地貌下10min平均)的风速作用，即12级风;也可以抵御登陆时最大风速41.4m/s(指A类地貌2min平均)的台风作用，即13级风。

还需要强调几点。

第一，这里所谓的抵抗多少级风，对于基本风速而言，指的是B类地貌10min平均最大风速;对于台风而言，是指登陆时的最大风力(A类地貌2min平均最大风速)。并不是指瞬时风(阵风)。建筑物能够抵抗的阵风风力等级，要比表中等级更高。阵风的问题将在《之二》中详细说说。

第二，当风速超过了表中所列的风速等级，建筑也未必发生破坏。因为在承载能力极限状态设计时，风荷载还需要乘上1.4的分项系数，大致可以保证建筑物可以抵抗比基本风速高20%的风力作用。

第三，建筑物能抵抗的风力等级，运用基本风压取值即可判断，不需要再考虑其他因素。因为建筑物的风荷载标准值，都是在给定的基本风速条件下所采用的数值。利用建筑表面的风荷载标准值再用伯努利公式反算对应风速的做法是不正确的。同样，根据某建筑某处测得的风速大大超过基本风速，认为风力超过设计标准的判断也不妥当。因为风速在绕经建筑物时，风速完全可能大大超过空旷条件下的风速值，而这种影响已经包含在“体型系数”的影响中了。

参考资料

GB50009-2012《 建筑结构荷载规范》，2011

GB/T32935-2016《全球热带气旋》，2016

GB/T19201-2006《热带气旋等级》，2006

QX/T 51-2007《地面气象观测规范》，2007

WorldMeteorological Organization, Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting, 2017

WorldMeteorological Organization, Guide to Meteorological Instruments and Methods ofObservation, 2017

WorldMeteorological Organization, Guidelines for Converting between Various WindAveraging Periods in Tropical Cyclone Conditions, 2010

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