北京交通大学
硕士学位论文
中美澳三国风荷载规范比较
姓名：黄韬颖
申请学位级别：硕士
专业：结构工程
指导教师：杨庆山
20061201
北京交通大学硕士学位论文中文摘要
中文摘要
摘要：
近年来，全球气候变化较大，风灾损失逐年递增。同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，结构对风的敏感性大大增强，与结构损坏有关的风灾屡见不鲜，风荷载正逐渐成为结构设计时的控制荷载之一。因此，对风荷载及其效应的准确认识是非常重要的。世界各国都制定了专门的风荷载规范以指导结构抗风设计，本文对具有代表性的中国《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９。２００１）、美国（（ＭｉｎｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎＬｏａｄｓｆｏｒＢｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄＯｔｈｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ》（ＡＮＳＩ／ＡＳＣＥ７．９５）和澳大利亚／新西兰（（ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｃｔｉｏｎｓＰａｒｔ２：Ｗｉｎｄａｃｔｉｏｎｓ））（ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２）００关于风荷载的理论以及规定分别予以介绍，讨论和比较。
各国规范关于风荷载的计算均体现了基本风速（风压）、高度地形影响系数、体型系数、动力放大系数四个方面的内容。
在基本风速方面，各国规范的区别主要在于平均风速时距的取值：高度和地形地貌影响系数方面的差异主要表现为考虑的因素和细致程度。
各国关于体型系数的理论基础是一致的，且均通过风洞试验来进行测定。就具体规定而言，澳大利亚和美国的规范规定更为详细。中国规范虽然在全面性上基本能够满足一般设计的使用要求，但是没有形成严格的体系。
脉动风对结构的影响较为复杂，分为脉动风速自身的性质以及脉动风对结构的动力放大影响来分别进行比较。关于脉动风速，中国和美澳规范的规定上都有着很大的区别，仅从脉动风速谱而言，中国规范的规定偏于安全，但需要注意的是我国规范关于湍流强度的规定偏低。
总之，澳大利弧规范的规定更为详细，考虑的影响因素更为全面，各个参数规定的体系脉络清晰，荚国规范次之，中国规范的规定较为简略。
关键词：风荷载；平均风速；脉动风速；基本风速；高度地形地貌影响系数；体型系数
１绪论
１．１选题背景
风灾是地球上几种主要自然灾害之一，据统计１９５０到１９９９半个世纪全球因严重的风灾造成的经济损失达２６８８亿元，死亡６３万人。近年来，全球气候变化较大，风灾损失逐年递增。１９９２年安德鲁飓风横扫美国佛罗里达州，损失达３００亿荚元；２００４年北美“珍妮”、“查理”和“伊万”等飓风造成２０００多人死亡，直接经济损失约５００亿美元：２００５年袭击美国南部墨西哥湾沿岸三州的“卡特里娜”飓风造成的损失更为惊人，仅路易斯安娜州的死亡人数就超过ｌ万人，据估计经济损失更是高达ｌ万亿荚元，超过美国历史上任何一次自然灾害，甚至与“９．１ｌ”不相上下。在我国，风灾的损失也是惊人的，１９９４年９４１５号台风袭击浙江，死亡千余人，直接经济损失达１０８亿人民币：２００５年台风“麦莎”和“云娜”造成的直接经济损失也达到了几百亿人民币。其中与结构损坏有关的风灾更是屡见不鲜。
同时，随着土木工程结构向着高、大跨、柔、轻质方向的发展，结构对风的敏感性大大增强，风荷载正逐渐成为结构设计时的控制荷载之一，因此，对风荷载及其效应的准确认识是非常重要的。鉴于强风对结构的负面作用，风工程作为一门以研究结构风效应为主要内容的学科在过去几十年中迅速发展起来。这一学科涉及气象、空气动力学、工程力学、结构力学和数学等基础学科，主要研究风荷载本身的物理特性和风与结构的相互作用。
１．２本文进行的工作
规范是指导工程设计的原则，也是将科研成果应用于工程的重要途径，起着工程法律的作用。随着科学技术的发展和工程经验的积累，规范内容也要不断更新和发展，对其它国家的规范和规程的借鉴也是推动我国规范进步的手段之一。另外，随着我国工程设计、施工单位不断参与国际招标：［程，了解和使用其它国家的规范正在成为一些设计单位的日常工作。由于各个国家设计规范所使用的计算方法和设计参数取值不同，各种荷载参数的确定与计算存在着很大的差异，因此时国外规范的介绍和比较足非常必要的，同时返对我国规范的改进也有着藿要的借鉴意义。
世界各国都制定了争门的风荷载规范以指导结构抗风设计，本文将对具有代表性的中国《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９．２００１）、荚国（（ＭｉｎｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎＬｏａｄｓｆｏｒＢｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄＯｔｈｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ））（ＡＮＳＩ／ＡＳＣＥ７—９５）和澳大利亚／新西兰（（ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｃｔｉｏｎｓＰａｒｔ
２：Ｗｉｎｄａｃｔｉｏｎｓ））（ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２）ｔ扣关于风荷载的理论以及规定分别予以介绍，讨论和比较。
１．３基本理论
风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性，从而在地球相同高度的两点之间产生压力差，这样空气从气压高的地方向气压低的地方流动因而形成了风。自然界常见的几种风包括：热带气旋、台风、飓风、季风和龙卷风等。
气流遇到结构的阻塞，形成高压气幕，而对结构产生了压力作用。风速增大其对结构产生的压力也越大，从而使结构产生变形和振动。结构物如果抗风设计不当，会使结构产生过大的变形而影响其使用，可能导致结构产生局部破坏，甚至整体破坏。
１．３．１速压与风速
对于工程设计而占，风力作用的大小通常用风压来表示，风速越大，风压也越大。低速运动的空气（风）可作为不可压缩理想流体处理，理想流体恒定流动所作运动符合Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程。当它在同一水平线上运动时的能量表达式为：
ｗ．Ｖ＋ｌ／２ｘｍｖ２＝ｃ（１．１）
式中ｗ．Ｖ为静压能，１／２ｍｖ２为动能，Ｃ为常数，其中Ｗａ为单位面积上的静压＿．Ｊ３（ｋＮ／ｍ２），矿为空气质点的体积（ｍ３），ｖ为风速（ｍ／ｓ），ｍ为运动流体质点的质量（ｔ）。
一ｔ－式两边除以Ｖ，又有ｍ＝ｐＶ，Ｐ为空气质点密度（ｔｉｍ３），Ｎ（１．１）式可化为：
％＋１／２ｘｐｖ２＝ｃｌ（１．２）上式中ｌ／２ｐｖ２即为自由气流的风速提供的单位面积上的风压力，也称速压Ｗ，得到：
ｗ＝１／２ｘｐｖ２（１．３）为了进行结构的风工程计算，需要的不是某一范围的风速，而足某一确定的风速。由于结构不仅要承受过－去某一时日或今日的风足安全可靠的，还要保证某～舰定期限内结构能够安全可靠地承载可能经受的风载。而风的记录记录又是随机的，不同时、日、月、年都有不同的值，因而必须采用数理统计的方法来计算风速。
由于空气在流动过程中受到地农因素的影响，其速度呈现出随机脉动特性。若以最大风速这一瞬时极值风速作为工程设计标准显然足不合理的。为了同时考虑工程设计的安全性和经济性，工程设计标准应取为在一定时问范围（Ｔ）内营二Ｆ阵风样本记录平均值
＿ｌ，ｉ：．…（样本记录时间即为平均时距Ｔ０）中的最大值ｉ，称之为时问Ｔ内的最大’Ｆ均风
速。
１．３．２平均风速
（１）平均风速时距
平均风速是指Ｔ时间内的最大平均风速。其大小与阵风样本的记录时间即平均时距（Ｔｎ）有关。当Ｔｎ一０时，一Ｖ。，ｉ：，…即为瞬时风速，进而一Ｖ成为瞬时最大风速：随着Ｔｎ的增大（Ｔ一定时样本数将相应减少），ｖ随之下降。因此，平均风速的大小与时距的取值很有关系，如果时距取得短，则将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中，较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速很高，反之亦然。合理的平均时距Ｔｎ至少应大于风速脉动周期，小于强阵风持时的一半，同时应考虑风速样本获取的简便性（亦可按随机信号的采集与处理理论进行更精确的分析）。
形成某一地区风的初始能源为该地区吸收的太阳辐射热，吸收能量的多少与地球、太阳间的相对位置有关。众所周知，地球与太阳的相对位置是以年为周期循环变化的，风每年季节性地重复一次。因此最大平均风速的时问范围Ｔ取为一年是十分合适，并为所有国家规范所采用。由此获得的最大平均风速为年最大平均风速。（２）平均风速剖面与标准高度
由于地表摩擦对风速的影响随着高度的增加而减小，相应地，风速将随着高度的增
加而增加，直至风速不受地表摩擦影响后达到稳定值，该高度称为梯度风高度，对应的风速称为梯度风速。这种平均风速随着高度而逐渐增加的变化关系称为平均风速剖面。
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多村
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图１．１不同粗糙度影响卜』的风剖面
Ｆｉｇ１．１
Ｗｉｎｄｐｒｏｆｉｌｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ
湘御
嘲猫
ｍ
ｏ
北京交通大学硕士学位论文第一章绪论最常用的平均风速剖面模型有指数律和对数律两种，其中指数律的表达式为：
ｖ（ｚ）＾＝（∥乙）“（１．４）对数律表达式为：
ｖ（ｚ）＝ｌ／ｋ×ｕ＋ｌＩｌ（∥知）（１．５）式中，ｖ是任意高度ｚ处的平均风速：”是标准高度Ｚｊ处的平均风速，大部分国家标准高度ｚ．取１０ｍ：地为摩擦速度：ｋ为卡曼常数，约为０．４０：口、２＂ｏ均为描述地面粗糙度的参数，称Ｆｔ＂为地面粗糙度系数，称矗为地面粗糙长度。
理论上而言，对数律更为精确，但是指数率与其差别很小，且更方便应用。因此大多数国家的规范都是采用指数率。
已知风速随着高度变化而变化，因而在计算风速时必须规定一个标准的高度来便于换算和比较，这个高度就是标准高度。通常都是采用１０ｍ。
由此可见，高度以及地貌类型均对平均风速大小有着较大影响。
（３）年最大平均风速的重现期和概率分布函数
设计风速是以年最大平均风速统计样本为基础根据可靠度指标确定的。设在任一年内只超越某一风速；’一次的概率为厂（－．），那么该风速的重现期Ｒ，即该年最大平均风速重复出现的时问间隔，为Ｒ：ｌ／ｆ（７），则年不超过该风速的概率为只：１－－１１Ｒ。
为了确定设计风速，必须规定重现期和确定年最大平均风速的概率分布。常用的概率分布模型有极值Ｉ型、极值ＩＩ型和韦伯分布三种。目前大多数国家采用的是极值Ｉ型分布函数，又称耿贝尔分布，其分布函数的表达式为：
Ｆ（力＝ｅｘｐ｛一ｅｘｐｌ－－ａ（Ｙ－－ｔ／）Ｉ｝（１．６）式中：ｕ为分布的位置参数，ｄ为分布的尺度参数。
’＼Ｘ／／＼
ｆ（ｘ），、
面积：Ｆ＿卜ｌ／Ｒ
ｌ
Ｆ
／／
／Ｘ、
图１．２线型函数与设计风速ｖ以及Ｒ、Ｆ的关系
Ｆｉｇ１．１Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｎｂｕｔｉｏｎ
参数ｕ和口可根掘概率方法计算。由数学期望＆和标准差０的计算公式可以得到：
４
丘＝￡矿。）出２ｘｄＦ（石）＝Ｅ∥…’２Ｅ（咖＋“胪。㈣
＝№×￡胁１一＋“Ｑｄｅｌ７＝ｏ?５７７２２／ａ＋Ⅳ一一＝￡缸一凰）２如１”…＝￡卜一（ｏ?５７７２２／口）一“］２出１１…
（１．８】＝￡［（ｒｍ５７７２２）／ｄ］２ｄｅ。７＝石２／６口２
一由于风速资料为离散的，取凰＝Ⅳ，得：
。ａ：＝出ｘ／～ｘ／－６（。。．１／ｏ＂＝１．２８２５５／ｏ＂５７７２／ａ）＝，ｔｔ－（０．５７７２／口）（１．９）
“＝出～（ｏ．．）、７同时Ｆ（ｘ）也表示实际风速不超过设计最大风速的概率，平均重现期为Ｒ，则，（工）＝ｌ－Ｉ／Ｒ＝（Ｒ－０／Ｒ，式中１／Ｒ表示超过最大风速的概率。因而理论上，重现期为Ｒ的最大风速矗可按照下式确定：
如＝“一抛蛐［１ｎＯ／Ｆ（ｘ））］＝“－ｌ／ａ×Ｉｎ｛ｌｎ［Ｒ／（Ｒ－１）］｝（１．１０）“）设计风速与基本风速
平均风速与高度、建筑物所在地区的地形地貌、平均时距、重现期等因素有关，为了便于计算，在规范中常将某一点的设计风速表示为：
‰＂＝ｏ呸ｖｏ（１?１１）式中，ｖ０是按规范规定的平均时距、重现期、极值分布函数确定的标准高度和标准地貌条件下的设计风速，称为基本风速：口：表示考虑高度和地形地貌对风速的影响系数。
（５）结构体型的影响
当理想的均匀气流遇到建筑物时，气流的均一性受到破坏，使得建筑物附近的气流场不再满足Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程，作用于结构上的风压除与来流的速压有关外，还与空气粘度、建筑物的形状等因素有关，可概念性的表示成：
ｗ＝ｌ／２ｘａｌ％∥０２（１．１２）式中强为比例系数，对于钝体结构一般认为它只与结构形状有关，而与风速无关。
由于风有一定的倾角，相对于水平一般最大可在＋１０。到一１０。内变化。因此作用在建筑物上的风压可分为沿法线方向和切线方向的两个分鞋，由于空气的粘性很小，抗剪能力较差，因此通常起：Ｅ要作用的是沿结构表面法线方向的风压。
１，３．３脉动风
在大气流动过程中，地球表面将对流动的空气（风）施加水平阻力，这种影响通过湍流掺混向高处扩展，使风速具有了脉动特性，该影响随着高度的增加而减小。时间Ｔ内的最大平均风速％仅代表了某阵强风持续时问Ｔ０范围内风速的静力成份，而风速时程还包括了具有动力性能的脉动部分ｖ（ｆ）。
因此公式（１．１２）得到的风压实际上为作用在结构表面上的平均风压，由于阵风风速可分解成平均风速ｖ和与之相对应的零均值的脉动风速ｖ（ｆ）两部分，则式（１．１２）可写成：
Ｗ＝Ｉ／２ｘａｌａ２ｐ（ｖｏ＋ＶＯ））２（１．１３）一般ｖ（ｆ）远小于Ｖ，式（３）ＰＴ近似写成：
Ｗ≈Ｗ＝１／２ｘｃｔｌｃｔ２ｐｖ；＋ａｌａ２ｐｖｖ（ｔ）（１．１４）脉动风产生的结构动效应的求解过程对于工程设计而言过于复杂，人们总是希望能将风致动力效应用风致静力效应来等效表达。因此，一般将风振动力响应通过放大系数ａ，来表示，此时风压的计算公式如下：
Ｗ＝１／２ｘａｌａｚａ３ｐｖ０２（１．１５）由此可以看出，关于风荷载的规定主要体现在基本风速ｖｏ（或风压），体型系数％，
考虑高度和地形地貌对风速的影响系数％，此都进行了具体的规定。限于时间和资料，
动力放大系数％这四个方面。各国规范对本文仅针对基本风速％（或风压），体型系
数ｑ，考虑高度和地形地貌对风速的影响系数％以及关于脉动风本身的性质进行了详细的分析和比较。动力放大系数％尚未进行分析。
６
２基本风压
２．１中美澳三国规范关于风荷载的规定
２．１．１中国规范
中国《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９．２００１）中对于一般的主体结构给出的风压标准值为：
ｗｋ＝屈以以ｗｏ（２．１）
当计算结构围护结构的风压时，采用下式进行计算：
ｗｋ＝几肛以ｗ０（２．２）
ＮｅｅＷｏ＝１／２。／，ｇ为基本风压（Ｎ／ｍ２），Ｐ＝１．２５ｋｇ／ｍ３为空气密度，％（ｍ／ｓ）为空旷平坦地面上离地ｌＯｍ高统计所得的５０年一遇的１０ｒａｉｎ平均时距年最大平均风速确定的基本风速：／ａ，为体型系数，与式（１．１４）的嘶相对应；，ｕｚ为与高度和地形地貌条件有关的风压高度变化系数，与式（１．１４）的％相对应；尼为与结构自振特性和脉动风特性有关的风振系数，尾成为阵风系数，实际上也是考虑风振的放大系数，与式（１．１４）的口，相对应。
２．１．２美国规范
美国ＡＮＳＩ／ＡＳＣＥ７．９５规范中将结构分为体型细长、自振频率小于１Ｈｚ或高宽度大二ｊ二４的柔性结构和一股结构两类，并分别规定了其风荷载：
（１）一般结构
ｐ＝ｑＧＣｐ－ｑ。（Ｇｑ，）（２．３）其中ｃ。、ｃ。．分别为结构外、内压的体型系数，相应于式（１．１４）中的ｑ；Ｇ为与脉动风的背景响应有关的阵风系数，相应于式（１．１４）中的％；Ｇｃ。。为内压体型系数与阵风影响系数的联合参数，并按一个参数来取值；ｑ＝ｏ．６１３Ｋｚ世．，ｖ０２，（Ｎ／∥）为速压，０．６１３相当于０．５ｐ，％（ｍ／ｓ）为根据空旷平坦地面上离地高度１０ｍ处所统计的５０年一遇的平均时距为３ｓ的年最大平均风速确定的基本风速：Ｋ，为与高度和地形条件有关的地形影响系数，Ｋ．。为与局部的地形条件有关的影响系数；若所计算风压的点位于迎风面，计算Ｋ，、Ｋ，，时高度取其实际高度ｚ，并将速压记为可，，若所计算风压的点位于背风面、侧风面、屋盖或结构内部，计算彪，、足，，时高度取屋盖的平均商度ｈ，并记为ｑ。，
２．１．３澳大利亚规范
澳大利亚规范ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２给出的风压表达式为：
Ｐ＝（ｏ．５ｐ）Ｃｖｄｏ．一］‘％ｃ０（２．５）
其中ｃ衄、巳。表示体型系数和与风振的背景及共振响应有关的动力放大系数，分别与式（１．１４）的ｑ、口，相对应；与其它规范不同的是该规范还规定了沿建筑物表面切线方向的体型系数。
‰．。表示作用于建筑物主轴方向上的设计风速，其值为该主轴方Ｎ＋４５。范围内的风速最大值（图２．１）。为此，该规范除给出某地的基本风速ｖｏ（确定方法与美国的相同）外，还给出了８个方位角方向的风向修正系数＾以，即某方位角方向上的基本风速为：
％＝ｖｏＭｄ（２．６）
Ａ以为风向修正系数，根据各地主要风向的不同，将澳大利亚整体划分为Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ、ｗ五种地域。其中Ａ类为澳洲大陆内部地区，Ｂ类为邻近季风区域的内陆地区，Ｃ、Ｄ类为季风区域。根据地域不同，其各自的八个主要风向对应着８个不同的肘。，帆的取值范围在０．８到１．０之间。具体规定见下表：
表２．２风向修正系数（Ｍｄ）
Ｔａｂｌｅ２．２Ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ（Ｍｄ）
主要风向区域Ａ１区域Ａ２区域Ａ３区域Ａ４区域Ａ５区域Ａ６区域Ａ７区域ＷＮＯ．９０Ｏ．８００．８５０．９０１．００Ｏ．８５Ｏ．９０１．００
ＮＥＯ．８０Ｏ．８００．８０Ｏ．８５Ｏ．８５Ｏ．９５０．９００．９５
ＥＯ．８００．８０Ｏ．８０Ｏ．９００．８０１．０００．８００．８０
ＳＥ０．８０Ｏ．９５Ｏ，８００．９０Ｏ．８００．９５０．９００．９０
ＳＯ．８５０．９００１８００．９５Ｏ．８５０．８５Ｏ．９０１．ＯＯ
ＳＷ０．９５Ｏ．９５０．８５Ｏ．９５Ｏ．９００．９５０．９０１．００
Ｗ１．ＯＯ１．ＯＯＯ．９０Ｏ．９５１．００１．ＯＯ１．００Ｏ．９０
ＮＷＯ．９５Ｏ．９５１．００Ｏ．９０Ｏ．９５０．９５１．０００．９５
其他１．００１．ＯＯ１．００１．ＯＯ１．００１．００１．ＯＯ１．ＯＯ
对于Ｂ、Ｃ、Ｄ类地形对于建筑的主体结构，以及主风向上上要的受力结构构件Ｍ。取Ｏ．９５，其他情况，取１．０。
因此，考虑地形地貌、高度等因素后某方位角上的设计风速为：
ｙ㈦。＝ＶｏＵｄＭ。ｔＭｓＭｔｔ２．７、
其中Ｍ…，为地形地貌及高度影响修正系数；Ｍ，为考虑遮蔽影响的系数；鸠为特殊地形地貌影响系数。（肘…，＾ｔ＾ｔ）与式（１．１４）的口：相对应。
两方位角之问任一方向上的设计风速Ｋ。可由相邻两方位角方向上的设计风速ｔ。卯ｌ。口：线性插值得到，那么结构主轴方向上的风速为设计风速‰∥为了简化计算设计整个建筑物都采用这个方向的最大风速值，且该值必须大于３０ｍ／ｓ。
屹．日＝ｍａｘ｛ｌ。。Ｏ－４５。≤口ｓ０＋４５。）（２．８）¨，：２“７
…二露ｊ’
！ｉ≥乳／／．、、
附注ｌ：圈中０为建筑物自身方向，口袁示方位角。
图２．１风向与建筑物主轴方向的相互关系
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｏｒｔｈｏｇｏｎａｌａｘｅｓ
Ｆｉｇ２．１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｗｉｎｄ
可见与中国和美国规范直接将统计得到的基本风速％应用于计算设计风速或风压不同，澳大利亚规范的相关规定多了一个中间环节Ｋ。口的计算，ｌ。口的出现主要是为了求得整体结构各主轴方向中受到最大的风速作用的方向。
另外澳大利亚的风荷载规范明确规定了应用范围，即所设计建筑物高度低于２００ｍ，尾盖跨度小于１００ｍ。
２．２基本风速或风压
中美澳三国规范都规定了基本风速或风压，中国规范规定了基本风压ｗ０，荚国和澳大利亚规范规定的都是基本风速ｖ０，已知基本风压或风速的规定主要涉及到地貌、平均风速时距、标准高度、最大风速样本、重现期和风速的线型六方面的内容。
２．２．１规范规定
Ｏ
各国规定总结于表２．３中。可以看出各国规范关于地貌类别、标准高度、最大风速样本、风速线型的规定是基本一致的，在重现期和平均风速时距的取值上有所区别。
表２．３各国规范关于基本风速的规定
Ｔａｂｌｅ２．３Ｔｈｅｂａｓｉｃｗｉｎｄｓｐｅｅｄ
中国
美国
澳大利亚／新西兰
参数
（ＧＢ５０００９－２００１）
（ＡＮＳＩ／ＡＳＣＥ７—９５）
ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２
地貌类别空旷平坦地面
开敞地区
开敞地区
●
标准高度１０ｍ
１０ｍ
１０ｍ
最大风速样本年展大风速年最大风速年最大风速风速的线型耿贝尔极值Ｉ型分布
耿贝尔极值Ｉ型分布
耿贝尔极值Ｉ型分布
重现期５０年
５０年
可选
平均时距
１０ｍｉｎ
３ｓ
３ｓ
表２．４各国规范关‘Ｆ地貌类别的规定
Ｔａｂｌｅ２．４Ｅｘｐｏｓｕｒｅｃａｔｅｇｏｔｙｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ
中国美国
澳犬利亚／新西兰ｆＧＢ５０００９－２００１）（ＡＮＳＩ／ＡＳＣＥ７—９５）
（ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２）类描述类描述类描述
别
别
别
近海海面和海岛、
平坦开阔的地区，上风方向至少有
风速正常的水面以及
Ａ
海岸、湖岸及沙漠Ｄ
１．６１ｋｍ的开阔水面。若建筑物在距离ｌ
建筑物很少或几乎没海岸线４６０ｍ或ｌＯ倍其高度（二者取地区
有的空旷开敞地区
较大值）的范围内
田野、乡村、丛林、建筑物很少且分部分
丘陵以及比较稀疏
开敞地区以及草地等，建筑物的高度散，高度位于１．５ｍ到Ｂ
的乡镇和城市郊Ｃ
不高于９．１ｍ，且分布分散
２
区，建筑物平均高１０ｍ之间的水面、开敞度低于９ｍ
地区以及草场等
有密集建筑群的城
城市及郊区，森林地区，以及独户住
建筑物多且密集，建筑
市市区，建筑物的房密集的地区。若建筑的迎风方向高度位于３ｍ到５ｍ之Ｃ
Ｂ
３
平均高度位于
４６０ｍ或ｌＯ倍其高度（二者取较人值）间的地区，比如：城市９ｍ－１８ｍ
的范围内
郊区的住宅群
５０％的建筑物高度在２１．３ｍ以上的城有密集建筑群且房
市中心，建筑由于其位ｒ建筑物之间Ｃａｔｅｇｏｒｙ：建筑物非常屋较高的城市市受到沟渠效应的影响或建筑位ｒ其多且密集，建筑高度位Ｄ
Ａ
他建筑的尾流中部会使该建筑的风４
ｆｌＯｍ到３０ｍ之间的区，即建筑物的平地区，比如火城市的中均高度火１二１８ｍ
速发生变化。营建筑物的迎风方向心以及发达的．ｒ业区Ｏ．８ｋｍ或１０倍其高度（二二肯取较人值）中心
的范围内
３高度和地形地貌对风速的影响
高度和地形地貌对风速的影响很大，因而各国规范都对进行了具体的规定。中国ＧＢ５０００９．２００１规范单独规定了风压高度变化系数Ⅳ，，美国的ＡＳＮＵＡＳＣＥ７．９５规范和澳大利亚的ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２规范是在计算速压ｑ，或设计风速％。。时设置了考虑了高度及地形地貌对风速的影响参数尽Ｋ。及Ｍ…，Ｍ。Ｍ，。
考虑到特殊地貌对结构风压的影响也很大，中国规范还规定了风压高度变化系数的特殊地貌影响因素玎，美国和澳大利亚规范均将其单独列为一个参数计算。关国规范为Ｋ。澳大利亚规范为＾ｆ。
可见高度和地形地貌对风速的影响可分为两个方面：高度和地形的影响以及特殊地貌的影响，本章将针对这两个方面分别对中美澳规范的具体规定进行分析和比较。
３．１高度和地形对风速的影响
３．１．１中国规范
各国规范均考虑了高度和地形对风速的影响，但考虑的方式有一定的差异。中国ＧＢ５０００９—２００１规范采用式（１．４）所示指数律来描述风速随高度的变化。
某地形条件下梯度风高度以．处的平均风速为：
ｖ（Ｈｒ）＝屹（易尼）“（３．１）设标准地形，标准高度ｚ。处的基本风速、梯度风高度及地形的粗糙度系数分别为ｙ。、奶。及％，任意地形的为‰、码。及ａ，Ｆ，ｆＪ由于在同一大气环境中不同地貌条件下的梯度风速是相同的，那么有：
ｖ，（％。屈）“＝Ｆｓａ（月ｔ肠）“（３．２）由之可得任意地形标准高度处的基本风速为：
Ｖｍ＝ｈ（月毛亿）“（Ｈ。／ｚ，）～＝Ｖ，（％／ｚ，）。（ｚ，／Ｉｔ。）。（３．３）由式（１．４）和式（３．３）可得到任意地形、任意高度Ｚ处的风速为：
Ｖ（ｚ）＝Ｖｍ（ｚ／ｚ，）４＝ｖ，（月蠢屈）“（乙／％）８（３．４）从而得到任意地形、任意高度处的风压值为：
Ⅵ兰Ｗｏ（ｎ嬲／ｚ三≮ｚ２，／。Ｈ筹∽加Ｊ”Ｉｔ慨ｒ“伍ｓ，
＝
乃，）地。（％）弘
那么可将公式（３．５）写成
４
（３．６）其中乜＝（％屈）２“（０／％）２“（３．７）
乜就是风压高度变化系数，与地面租糙度系数ａ，即地形类别有关，中国规范将地形分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四类，分类标准及各类地形的“、Ｈ。见表（３．１）。
表３．１我国规范地形地貌的分类标准
类别分类标准口％ｈ（ｍ）Ａ近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区Ｏ．１２３００
Ｂ田野、乡村、丛林、丘陵以及比较稀疏的乡镇和城市郊区Ｏ．１６３５０
Ｃ有密集建筑群的城市市区Ｏ．２２４００
Ｄ有密集建筑群且房屋较高的城市市区Ｏ．３０４５０
将Ｂ类地形地貌对应的梯度风高度、标准高度及地面租糙度系数日。＝３５０、Ｚｓ＝ｌＯｒｅ、％＝０．１６，代入式（３．７），得到中国规范确定风压高度变化系数的基本公式：
以＝（３５０／，ｏ）”２（衫％）“＝３．１２（ｚ／Ｈｒ。）２“（３．８）３．１．２美国规范
美国ＡＮＳＦＡＳＣＥ７—９５将地形地貌分为Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ四类，分别与中国的Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ相对应，也采用式（１．４）所示指数律来描述风速随高度的变化，各类地形对应的类别参数口‘（口’与我国规定的粗糙度系数口大致成倒数关系）和梯度风高度见表（３．２）。
表３．２美国规范地形地貌的分类标准
类别ＤＣＢＡ
口’１１．５９．５７．Ｏ５．０１日ｎ（ｍ）２１３２７４３８８４５７
风速高度变化系数墨的计算公式与公式（３．７）相同。将标准地形（ｃ）的条件参数代入公式（３．７），即可得到其风速高度变化系数Ｋｚ的计算公式：
疋＝２．Ｏｌ（ｚ／Ｈｒ。）２７８‘（３．９）当ｚ＜４．６ｍ时，取＝＝４．６ｍ时对应的风速高度变化系数Ｋ＝２．０１（４．６／Ⅳ。）２“。
３．１．３澳大利亚规范
澳大利亚ＡＳ／ＮＺＳ１１７０．２：２００２规范除根据地形的不同将地形分为ｌ、２、３、４类，分别对应着我国地形分类中的Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ外，还根据各地的风环境的不同，将澳大利亚整体划分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｗ五种地域。其中Ａ类为澳洲大陆的内部地区，Ｂ类地域为邻近季风区域的内陆地区，Ｃ、Ｄ类地域为季风区域。该规范采用对数律来描述风速随高度的变化，其描述地形类别的参数为梯度风高度月。和地貌粗糙长度％，其中梯度风高度的计算公式如下：
易ｈ＝ｕ＇／６ｘ１０“（３．１０）式中“＋为摩擦风速，梯度风高度日。大概在２７００ｍ至５００ｍ之问。各类地形对应的粗糙长度毛见表（３．３）：
表３．３溲大利亚规范地形的分类标准
ｆ类别１２３４毛０．００２Ｏ．０２Ｏ．２２
根据式（１．５）和表（３．２）确定的平均风速是平均时距为ｌ小时的平均风速，而澳大利亚规范使用的是平均时距为３ｓ的平均风速，因而需要将由之得到的平均风速ｖ＾（ｚ）转化为平均时距为３ｓ的平均风速ｕ。（ｚ），即：
％（ｚ）＝ｖｈ（ｚ）＋３．７吼（３．１１）
其中ｑ＝２．６３卵＋［ｏ．５３８＋０．０９１ｎ（ｚ／ｚｏ）］７为平均风速ｉ（ｚ）的标准差，玎＝１．０一衫％。。
由此可以得到任意高度Ｚ、任意地貌条件下的风速ｂ。（：），其与标准高度（１０ｍ）处第２类地貌条件下的标准风速的比值就是该规范规定的风速高度变化系数Ｍ，。，，即：
Ｍｚ。＝‰（ｚ）／Ｖｏ（３．１２）由以上的推导可以得出，风速高度变化系数的主要影响因素足高度及地貌类别，地貌类别涉及到的参数为摩擦风速“’及地面粗糙跃度ｚ。。其中摩擦风速Ｕ’不仅与地形类别有关，还与计算地区所处的不同风环境地域有关（由于资料有限，未得到规范采用的具体数值）。将统计得到的摩擦风速“‘及地面粗糙长度磊代入公式（３．１２），即可得到风速高度变化系数Ｍ：。，的具体公式。该规范给出的计算公式为：
（１）Ａ、Ｗ及Ｂ类地域
地形２：Ｍ，。＝０．１０Ｉｎｚ＋０．０００１：＋０．７７（３．１３）