引言

严重的风灾损害建筑物，破坏输电线路、威胁人民生命安全。近年来广大气象工作者在风灾的影响评估方面做了大量的工作并获得了可喜的成果^[1-4]。但对灾情的评估大多依据风灾造成的实际损失对大风灾害进行定性分级，且主要依据经济损失、人口伤亡等，作为未来风灾预评估的依据，但在风灾的损失中，易损性房屋结构损坏、建筑物损害引起的损失占很大一部分。所以，对各种易损性建筑物在风灾中所承受的风压和风荷载进行计算，可以为今后开展风灾的客观定量评估奠定基础。2006年4月11—13日，受地面冷空气南下及中低层低涡的共同影响，湖北省出现了大风、降温和降水天气。全省27县市出现8~9级大风，大风过程最大瞬时风速为29.2m·s^-1(11级)，出现在金沙站，14站次10分钟平均风速超过12m·s^-1，全省34个县(市、区)521万人受灾，死亡11人；因灾倒塌房屋8906间，特别是葛洲坝至江夏凤凰山50万伏线路的铁塔倒塌，严重影响湖北电网的稳定运行。本文对11—13日风灾过程中大风出现的频次、时间变化，风压、以及本次灾害中损害最严重的几种典型建筑物的风荷载进行了计算。其目的是为建立风灾影响的定量评估模型提供参数。

1 资料来源与参数选取

计算所用风资料来自湖北省自动气象站4月11—13日逐时风资料。风压高度变化系数、各种建筑物风荷载形体系数则根据国家标准《建筑结构荷载规范(GB 50009-2001)》来确定。

2 大风空间分布与代表站大风统计特征

一般认为10分钟平均风速达到12m·s^-1将导致灾害发生，利用湖北省各地自动站逐时风速资料对各站10分钟平均风速≥12m·s^-1的频次进行统计并绘图(图 1)，统计原则为各站逐时的10分钟平均风速中，凡出现大于等于12m·s^-1的风速即进行统计。由图 1可见，大风频次有2个中心，一个位于鄂南的金沙附近，另一个位于鄂东北与江汉平原交界的应城、孝感附近。最大频次为12，位于金沙，表明本次过程致灾大风出现时间长。大风过程的主要影响区为鄂南、江汉平原、鄂东北及武汉。根据观测资料，主要风灾发生在2个大风频次中心及其附近。

根据大风的空间分布情况，选取钟祥、云梦、汉口、武昌、金沙5个代表站，分别绘制10分钟平均风速、瞬时极大风速的时间变化曲线(图 2)。可以看出，除汉口外，其他4个站的10分钟平均风速均超过了10m·s^-1，金沙站最大值达到20m·s^-1；从瞬时最大风速图上可以看到大风过程从11日20时左右持续到13日02时左右，瞬时最大风速最大达到29.2m·s^-1, 除武汉站外其它站点瞬时最大风速都超过20m·s^-1。

3 大风过程风压与结构风压(风荷载)的计算

风压是垂直于气流平面上所受的风的压强，一个建筑物上所受到的风压大小和建筑物的体形、高度等有关，建筑物实际受到的风压称为结构风压(风荷载)。

3.1 风压的计算

风压w₀计算公式如下^[5]：

$ {\omega _0} = \frac{r}{{2g}}{V^2} $

(1)

其中，w₀是基本风压(kN·m^-2)，$\frac{r}{{2g}} $称风压系数，在标准大气下：r=0.012018k·m^-3；g≈9.8m·s^-2, 由于各地的地理位置不同，r和g的取值也有所不同，湖北的风压系数以武汉为代表，可近似取$\frac{1}{{1610}} $^[5]。所以；

$ {\omega _0} = \frac{r}{{2g}}{V^2} = \frac{{{V^2}}}{{1610}} $

经过计算，大风过程在离地10m高度造成的最大风压(瞬时)为0.5295kN·m^-2(见图 3), 相当于以0.53吨的重物以加速度1m·s^-2作用于1m²受力面，足以对结构不稳定的建筑造成破坏。同时，由于这次大风持续时间长，增加了本次过程的破坏性。

3.2 风荷载的计算

根据国家标准^[6]，分类计算了这次在大风中损坏较多的几种建筑物承受的风荷载：低矮的房屋、电线杆、广告牌、高压输电铁塔。

3.2.1 主要承重结构风荷载计算方法

$ {W_{\text{k}}} = {\beta _{\text{z}}}{\mu _{\text{s}}}{\mu _{\text{z}}}{\omega _0} $

(2)

式中β_z:高度z处的风振系数，μ_s:风荷载体形系数，μ_z:风压高度变化系数，w₀:基本风压。

3.2.2 维护结构风荷载计算方法

$ {W_{\text{k}}} = {\beta _{{\text{gz}}}}{\mu _{\text{s}}}{\mu _{\text{z}}}{{\text{w}}_0} $

(3)

式中β_gz:高度z处的阵风系数。

3.2.3 参数的选取

(1) 风振系数、阵风系数

低矮的房屋忽略风振，取β_z=1；广告牌、电线杆按维护结构计算，阵风系数β_gz直接由表查出：电线杆(15m)β_gz=1.72，广告牌(10m)β_gz=1.78。

由于对基本自振周期大于0.25s的工程结构(各种高耸结构等)要考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期按结构动力学计算^[7-8]。由于输电铁塔为高耸结构，应先计算它的自振周期。

自振周期计算公式：

$ {T_1} = \left( {0.007 \sim 0.013} \right)H $

(4)

在公式(4)中，系数的单位为s·m^-1，按建筑物结构的不同而不同，对于钢结构取高值，钢筋混凝土结构取低值；H为建筑物的高度，单位为m。由于输电铁塔塔架为钢结构，故取高值。

铁塔自振周期：

T₁=0.013(s·m^-1)×30(m)=0.39s由于0.39s>0.25s，铁塔的风振系数按β_z=1+$\frac{{\zeta \upsilon {\varphi _{\text{z}}}}}{{{\mu _{\text{z}}}}} $计算。式中，ζ为脉动增大系数，v为脉动影响系数，φ_z为振型系数，μ_z为风压高度变化系数，按地面粗糙度B类取脉动影响系数，由表查得：ζ=1.83，v=0.83，φ_z=0.525，故铁塔的风振系数${\beta _{\text{z}}} = 1 + \frac{{\zeta \upsilon {\varphi _z}}}{{{\mu _z}}} = 1.64 $

(2) 风压高度变化系数

按照地面粗糙度的分类，湖北的平原地区和城市郊区可大致认为是B类(开阔空旷地区)。4种建筑物高度：低矮的房屋：≤10m、电线杆:15m、广告牌:10m、铁塔:30m, 实际工作中风压高度按铁塔高度×0.65计算。

按照国家标准，风压高度变化系数μ_z(地面粗糙度B类)取值如下：

$ {\mu _{\text{z}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;H \leqslant 10{\text{m}}} \\ {1.14\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;H = 15{\text{m}}} \\ {1.25\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;H = 20{\text{m}}} \end{array}} \right. $

(3) 风荷载体形系数

低矮的房屋体形按封闭式方型，电线杆为圆柱型，广告牌为方形或长形，塔架为角钢。

按照建筑结构荷载规范风荷载体形系数μ_s查表得：

电线杆μ_s=0.6；广告牌μ_s=1；房屋μ_s=0.8；铁塔μ_s=2.4

3.3 各种易损性建筑物风荷载计算结果

由公式(3)计算电线杆、广告牌的风荷载，由公式(2)计算房屋、铁塔的风荷载见表 1。

由表 1可见，金沙站4月12日05时风荷载最大，其中施加在广告牌上的瞬时最大结构风压(风荷载)达到0.9kN·m^-2，而30m铁塔的瞬时最大风荷载高达2.60kN·m^-2，其破坏力比基本风压放大了5倍，不仅如此，30m铁塔风荷载大于1.0kN·m^-2的时数长达17个小时，增加了破坏性。

同时，从表 1的数据分析可见，对低矮的房屋，能造成较严重破坏的风荷载约0.23kN·m^-2，造成电线杆倒杆约0.40kN·m^-2，广告牌倒塌约0.50kN·m^-2，而能对铁塔造成威胁的风荷载约1.0kN·m^-2。

另外，我们还对1983年4月25日发生在湖北省的一次特大风灾过程风荷载进行了对比计算，该次过程实测极大风速为宜昌地区兴山34m·s^-1，计算当地低矮的房屋瞬时最大风荷载为0.57kN·m^-2，15米电线杆最大风荷载为0.85kN·m^-2，10米高广告牌最大风荷载为1.28kN·m^-2；30米输电塔架最大风荷载3.53kN·m^-2。该过程宜昌地区8个县受灾，农作物受灾面积6.8hm²，柑桔树被吹断6300多棵，成材的树木被吹倒折断的共达6.86万棵，仅兴山受损房屋达17289间。由计算可见，过大的风荷载是风灾损失的重要原因。同时，由于湖北地理位置的特殊性，春季容易发生大风灾害。

4 小结与讨论

(1) 本次大风过程逐小时10分钟平均风速≥12m·s^-1出现的频次有2个高值中心，一个位于鄂南的金沙附近，另一个位于鄂东北与江汉平原交界的应城、孝感附近，最大频次为12。大风过程从11日20时左右持续到13日02时左右，瞬时风速最大可达到29.2m·s^-1。主要灾害就发生在这2个大风频次高值中心和附近地区。

(2) 金沙站大风过程中在离地10m高度造成的最大风压(瞬时)为0.5295kN·m^-2, 足以对结构不稳定的建筑造成破坏。10m高处广告牌最大风荷载(瞬时)达到0.9kN·m^-2，而30m铁塔最大风荷载(瞬时)高达2.60kN·m^-2，其破坏力比基本风压放大了5倍，30m铁塔风荷载大于1.0kN·m^-2时数长达17个小时。

(3) 本文应用气象观测资料对春季湖北省一次特大风灾过程中受损最严重的建筑物的风荷载进行了计算分析，得出了一些有意义的结论。今后，若通过更多的大风灾害个例计算分析，将有可能分别对房屋、电线杆等建筑物受损程度分类建立风灾评估业务模型。