第四讲 风荷载、与其它作用

ERA
风荷载定义
风荷载是指风对建筑物产生的压力或吸力。
风荷载是指由于风的作用而产生的对建筑物的压力或吸力，这种力可以导致建筑 物产生弯曲、剪切和振动等效应，从而影响建筑物的安全性和稳定性。
风荷载类型
风荷载可分为平均风和脉动风两类。
平均风是指在一段时间内风速和风向 相对稳定的风，它对建筑物的作用力 是恒定的。脉动风则是指风速和风向 随时间变化的阵风或旋风，它对建筑 物的作用力是变化的。
02
地震作用是地震工程和结构抗震 设计的重要依据，也是地震灾害 评估和抗震减灾的重要基础。
地震作用的类型
水平地震作用
扭转地震作用
指地震动引起的水平方向的地面振动 ，是建筑物和构筑物受地震影响的主 要来源。
指地震动引起的地面振动中，水平方 向和垂直方向的振动发生相位差的现 象，对结构抗扭性能的要求较高。
地质构造和地表地质
地质构造和地表地质条件对地震波的传播和地表受到的地震作用有重 要影响。
建筑物和设施的类型、结构形式和抗震性能
不同类型的建筑物和设施以及不同的结构形式和抗震性能对地震作用 的影响也有所不同。
04
地震作用计算
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
地震烈度计算
总结词
针对风荷载与地震作用的共同影响，应加强结构整体性 和冗余度设计，提高结构抵抗灾害的能力。
详细描述
某核电站采用特殊的设计方案，针对风荷载和地震作用 进行了专项评估和加固措施，确保了核反应堆的安全运 行和周边居民的生命财产安全。
ERA
风速计算
平均风速
根据气象资料，确定某一地点的 平均风速，通常采用10米高度处 的风速。
阵风系数

静风 软风 轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风飓风
当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍 物产生压力。
风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，
它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引 起多种类型的振动效应。
风灾实例 1926年9月，美国迈阿密17层高的 Meyer-Kiser大楼在一次飓风袭击下， 维护结构受到严重破坏，钢框架结 构发生塑性变形，大楼在风暴中严 重摇晃，顶部残留位移达0.61m。
第4章 风荷载
风致桥梁破坏 1940 年 11 月 7 日 ， 美 国 华 盛 顿 州 塔 科 马 桥 （ Tacoma Bridge ）因风振致毁，这一严重的桥梁事故，开始促使人 们对桥梁的风致振动问题进行系统深入的研究。该桥主跨 长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通 过两年时间的施工，于 1940 年 7 月 1 日建成通车。但由于当
使用功能 住宅、公寓 办公、旅馆 amax (m/s2) 0.15 0.25
第4章 风荷载
抗风减振措施
台北 101 大楼（高 508 米），在 92楼 层悬挂设置重达 800 吨的悬浮阻尼 球，通过吸收振动能量，避免大楼 在强风下大幅晃动
第4章 风荷载
抗风减振措施
上海环球金融中心（高492米），在395 米的第 90 层安装两台重达 150 吨、长宽 各 9 米的风阻器，中间桔红色的是用钢 索悬吊的重 100 多吨的配重物，其下安 装了驱动装置。
第4章 风荷载
第4章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 风的有关知识 风压
风荷载
内容提要
结构抗风计算的几个重要概念 顺风向结构风效应 横风向结构风效应

表4.3 不同重现期与重现期为50年的基本风压换算系数
重现期/年 重现期换算系数 100 1.10 60 1.03 50 1.00 40 0.97 30 0.93 20 0.87 10 0.77 5 0.66
4.1.4 山区的基本风压
对于山区的建筑物，基本风压还应考虑地形的修正，修 正系数分别按下述规定采用： (1) 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述 公式采用：
1 2 2 w v v 2 2g
式中，w——单位面积上的风压力(kN/m2)； ρ——空气密度(kg/m3)； γ——空气单位体积重力(kN/m3)； g——重力加速度(m/s2)； v——风速(m/s)。
在标准大气压情况下， γ=0.012018kN/m3，g =9.80m/s2，可得：
实测风速时距 时距换算系数 60min 0.940 10min 1.00 5min 1.07 2min 1.16 1min 1.20 0.5min 1.26 20s 1.28 10s 1.35 5s 1.39 瞬时 1.50
应该指出，表中所列出的是平均比值。实际上有许多因素影响该比 值，其中最重要的有： (1) 平均风速值。实测表明，10min 平均风速越小，该比值越大。 (2) 天气变化情况。一般天气变化越剧烈，该比值越大。如雷暴大风 最大，台风次之，而寒潮大风(冷空气)则最小。
4.1.3 风速或风压的换算 1. 不同高度换算 即使在同一地区，高度不同，风速也会不同。当实测 风速高度不足10m标准高度时，应由气象台站根据不同高 度风速的对比观测资料，并考虑风速大小的影响，给出非 标准高度风速与10m标准高度风速的换算系数。缺乏观测 资料时，实测风速高度换算系数也可按表4.1取值。
z B [1 tan (1 )]2 2.5H

17
18
第二节 风压

第二节 风压

不同地貌在梯度风高处的风速应相同，即：
H H v0s Ts v0 T z0s z0
则
s
s
3、不同时距的换算 由于脉动风的影响，时距越短，公称风速值越大。
H H v0 v0 s Ts T z0s z0
不同粗糙度影响下的风剖面
第二节 风压

地面越粗糙，风速变化越慢（α越大），梯度风高度将越 高；反之，地面越平坦，风速变化将越快（α越小）；梯 度风高度将越小。 不同地貌的α及HT值
地貌 α HT(m) 海面 0.1~0.13 275~325 空旷平坦地面 0.13~0.18 325~375 城市 0.18~0.28 375~425 大城市中心 0.28~0.44 425~500
第一节 风的有关知识 第四章 风荷载
风的形成 风是空气从气压大的地方向气 压小的地方流动而形成的。

4-1
太阳辐射、地球自转、地表吸 热能力不同等→ 气压差或气压梯度→ 空气流动→ 风
哈得力环流模型
三圈环流模型 Hadley Cell Ferrell Cell Polar Cell
2
第一节 风的有关知识
风力等级表（续）
2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 14 2.5 4.0 5.5 7.5 10.0 12.5 16.0 — 渔船缩帆（即收 去返之一部） 渔船加倍缩帆， 捕鱼须注意风险 渔船停息港中， 在海上下锚 近港渔船皆停留 不出 汽船航行困难 汽船返航颇危险 汽船遇之极危险 海浪滔天 有叶的小树摇摆，内陆 的水面有小波 大树枝摇动，电线呼呼 有声，举伞困难 全树摇动，迎风步行感 觉不便 微枝折毁，人向前行， 感觉阻力甚大 烟囱顶部及平瓦移动， 小屋有损 陆上少见，见时可使树 木拔起或建筑物吹毁 陆上很少，有时必有重 大损毁 陆上绝少，其捣毁力极 大 29~38 39~49 50~61 62~74 75~88 89~102 103~117 118~133 17~21 22~27 28~33 30~40 41~47 48~55 56~63 64~71 8.0~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 32.7~36.9

4-13
第二节 风压
• 风压定义：
当风 以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物 产生压力，即风压。
风压的产生
4-14
第二节 风压
一、 风压与风速的关系
伯努利方程：
气压为101.325kPa 常温150C 绝对干燥
纬度450海面
4-15
初始条件
第二节 风压
二、基本风压
• 基本风压的定义：
按规定的地貌、高度、时距等量测的风速称为基本风压。
φ13=0.53
4-49
第四节 顺风向结构风效应
因建筑的高宽比H/B=3，查表4-10得脉动影响系数:
ν=0.49。
代入式(4-49)得各区段中点高度处风振系数：
β1=1.19 β2=1.26 β3=1.31 β4=1.36 β5=1.41
5. 按式（4-45）计算各区段中点高度处的风压值
4-50
4-40
第四节 顺风向结构风效应
或
w(z) (z)s (z)z (z)w0
其中风振系数
令 得
4-41
(z) 1 1(z) z (z)
第四节 顺风向结构风效应
4-42
第四节 顺风向结构风效应
4-43
第四节 顺风向结构风效应
对于低层建筑结构(剪切型结构) 对于高层建筑结构(弯剪型结构)
1.雷诺数
结构形状
动力相似定律
雷诺数相同，动力相似 层流向湍流转换
式中： ρ：流体密度； μ ：流体粘性系数
动粘性
l：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸。
4-30
第三节 结构抗风计算的几个 重要概念
➢ 对于空气：
Re=69000vl=69000vB 如果Re<1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体； 如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。

§4.3
风压高度变化系数
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）为方便设计人员使用，用风 压高度变化系数 综合考虑不同高度和不同地貌情况的影响。对于平坦或稍 有起伏的地形，风压高度变化系数直接按下表取用；对于山区的建筑物， 风压高度变化系数除由下表确定外，还应考虑地形条件的修正。表中地貌 （地面粗糙程度）分为A、B、C、D四类。

§4.2
基本风速和基本风压
3. 平均风速的时距 风速随时间不断变化，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。 平均风速与时距的大小有密切关系，如果时距取的很短，例如3s，则平均 风速只反映了风速记录中最大值附近的较大数值的影响，较低风速在平均 风速中的作用难以体现，致使平均风速较高；相反，如果时距取的很长， 例如1天，则必定将一天中大量的小风平均进去，致使平均风速值较低。一 般来说，时距越大，平均风速越小；反之，时距越小，则平均风速越大。
§4.1
风的基本知识
4.1.3 我国的风气候总况
§4.1
4.1.4 风级
风的基本知识
为了区分风的大小，根据风对地面(或海面)物体的影响程度将风划为若 干等级。风力等级（wind scale）简称风级，是风强度的一种表示方法。 国际通用的风力等级是由英国人蒲福（Beaufort）于1805年拟定的，故又 称蒲福风力等级(Beaufort scale )。 由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分 等级，最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小，分为 13个等级（0～12级）。 后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由 12级台风 扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。
§4.2
基本风速和基本风压

同济大学 土木工程
风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速 度响应等。
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.3 结构抗风计算的概念
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、顺风向平均风与脉动风
风有两种成分构成 = 平均风 + 脉动风
二、顺风向平均风与脉动风
脉动风的特性：
可用功率谱密度描述 功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布
Davenport谱
式中，ρ：流体密度； μ：流体粘性系数 l ：垂直于流速方向物体截面的最大尺寸 对于空气：Re=69000vB 如果Re<1/1000，则以粘性力为主，为高粘性流体； 如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体

地区流向低纬地区
在高空：空气从低纬
地区流向高纬地区
同济大学 土木工程
§4.5 横风向结构风效应
同济大学 土木工程
大气热力学环流模型
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.1 风的有关知识
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
二、两类性质的大风
1.台风 热带海洋面上形成的低压气旋。
同济大学 土木工程 同济大学 土木工程
4
2013-10-17
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
§4.4 顺风向结构风效应
荷 载 与 结 构 设 计 原 则
一、顺风向平均风效应
平均风下结构风载 ：
一、顺风向平均风效应 w( z ) s z ( z ) w0
1. 风载体型系数
第一阶振型函数
风振 ( z ) 1 1 ( z ) 系数： z ( z)

§ 3 - 2 风荷载的计算
§ 3 - 2 风荷载的计算
§ 3 - 2 风荷载的计算
脉动影响系数 1、结构迎风面宽度远小于其高度的情况（如高耸结构等） • 若外形、质量沿高度比较均匀； • 若结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变
化，而质量沿高度按连续规律变化时。 2、结构迎风面宽度较大时，应考虑宽度方向风压空间相关性
§ 3 - 2 风荷载的计算
波动风压对建筑产生的动力效应与建筑高度和刚度有 关。对高度较大、刚度较小的高层建筑，波动风压会产生 一些不可忽略的动力效应，产生振幅加大现象。设计时采 用加大风载的办法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以 风振系数。
对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高层房屋结构， 以及基本自振周期 大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸 结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。
对于阳台、雨篷、遮阳板等悬挑构件，应验算向上漂浮的 风载。当超过自重时，悬挑构件会出现反向弯矩。局部向上体 型系数用2，即
§ 3 - 2 风荷载的计算
例题1
§ 3 - 2 风荷载的计算
例题1
例题2
例题2
例题3
例题3
例题3
例题3
作业题
1、风的有关知识 2、风荷载计算
§ 3 - 1 风的有关知识
§ 3 . 1 . 1 风的形成 不同压力差的地区产生了趋向于压力平衡的空气
流动，便形成了风。
§ 3 - 1 风的有关知识
§ 3 . 1 . 2 两类性质的大风 1. 台风
§ 3 - 1 风的有关知识
2. 季风
§ 3 - 1 风的有关知识
的情况（如高层建筑等）
§ 3 - 2 风荷载的计算
振型系数 应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按

§4.1 基本风速和基本风压
4.1.1 基本风速
标准高度 最大风速 的概率分布 或概率密度 曲线（线型） 基本风速 或基本风压
标准地貌
最大风速 的重现期
平均风速的时距
最大风速的样本
最大风速的样本 取年最大风速为统计样本，即每年以一最大风速记录值 为一个样本。 最大风速的重现期 设重现期为T0年，则1/ T0为超过设计最大风速的概率， 因此不超过该设计最大风速的概率或保证率P0应为：
飓风伊万在美国已造成45人死亡，其中16人 在佛罗里达。 飓风造成的损失在30亿至100亿美元之间。
飓风伊万摧毁的房屋
伊万过后，美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座 大桥被飓风伊万摧毁
台风云娜登陆时卫星云图
台风云娜袭击浙江, 截 至16日12时的统计，台 风云娜已在浙江造成 164人不幸遇难，失踪 24人，受灾人口达1299 万人，直接经济损失达 181.28亿元。
1 P0 1 T0
我国荷载规范规定：对一般结构，重现期为 30 年，对 于高层建筑和高耸结构，重现期取50 年，对于特别重要和 有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期可取100年。重 现期为T0年通常俗称为T0年一遇。
4.1.2 基本风压
1、标准高度的规定：房屋建筑类统一取10m为标准高度 2、标准地貌的规定：标准地貌指空旷平坦地区，在具体执行时，对 于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。 3、平均风速的时距：取50年一遇的平均风速时距为10分钟（风的卓 越周期约在1分钟） 风速和风压之间的关系，可由流体力学中的伯努利方程得到。自由气流 的风速产生的单位面积上的风压力为：
风 结构物
理想模型
两类性质的大风 1.台风
地球自转

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3-1 风荷载
1、高层建筑风荷载的特点
• 风荷载与建筑物的外形（高度、平面和体形）直接有关， 也与周围环境（街区、周围建筑群）有很大关系。
• 高层建筑外表面各部分的风压很不均匀。
q1 迎风面
压力
q2 背风面
吸力
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浮力
因此，高层建筑 中一般不设外伸 构件。
+0.8 +0.8
-0.5
-0.7
-0.7
+0.4
-0.5
+0.8
-0.7
+0.4
-0.5
-0.7
0
-0.5
-0.5
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0
-0.5
• 局部风荷载 局部增大体型系数
檐口 、雨蓬 、遮阳板等水平构件， 局部上浮
s 2
玻璃幕墙 另行标准
H20m0
H15m 平0 面形状不规则 立面开洞或连体建筑
(6)求各段风载集中标准值 各分段间风载集中标准值： Pi Bhi wki
B 1.5 2 45m 0
P1 50 24.5 1.078 1320kN P2 50 24.8 1.644 2038kN P3 50 24.8 2.109 2615kN P4 50 24.8 2.565 3180kN P5 50 24.6 2.882 3544kN
Z5
1 0 .86
1 .58 0 .53 2 .16
1 .333
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61.7m 36.9m 12.25m
24.6m
24.8m 123.5m
24.8m 24.8m

计算步骤：
➢ 确定基本风压 ➢ 确定风荷载体型系数或局部风压体型系数 ➢ 确定风压高度变化系数 ➢ 确定结构基本周期 ➢ 确定脉动风荷载的空间相关系数 ➢ 确定振型系数 ➢ 确定脉动风荷载的背景分量因子 ➢ 确定脉动风荷载的共振分量因子 ➢ 确定风振系数。 ➢ 确定风荷载标准值
2021
43
第4章 风荷载
2021
30
第4章 风荷载
风压-局部体型系数
➢在角隅、檐口、边 棱处和在附属结构 的部位，局部风压 会超过按风荷载体 型系数计算出的平 均风压。
E/5
Sa
Sb
D
B
H
迎风面
1.0
侧面
Sa
Sb
-1.4 -1.0
-0.6
➢封闭式矩形平面房屋的局部体型系数 ➢非直接承受风荷载的围护构件的折减系数
2021
➢ 时距越大，风速越小 ➢ 高度越大，风速越大（梯度风高度范围内） ➢ 地面越粗糙，风速越小 ➢ 重现期越长，风速越大
2021
8
第4章 风荷载
风压-风速与风压的关系
理想状态：
流向 小股气流
高压气幕
建筑物 w1dA
dl
压力线
(a)
(b)
w
=
1 2
ρv2
w 1 v2 1 v2
2
2g
(w1 + dw1)dA
新规范提高了C、D两类地 面粗糙度（大城市市区）的 梯度风高度，why?
➢ 风压高度变化系数：任一高度、任一地貌条件下的风 压与基本风压的比值，表4-8。
2021
14
第4章 风荷载
风压-风荷载体型系数：风压分布规律
侧风面
_
迎风面

36.9m
12.25m
24.5m
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
(5)各段风载标准值
(6)求各段风载集中标准值 各分段间风载集中标准值：
（B—受风宽度）
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
(7)基底剪力： 基底弯矩：
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
3-2 地震作用
1、地震作用 抗震设计时，结构所承受的“地震力”
7度
0.016(0.024) 0.012(0.018)
8度
0.032(0.048) 0.024(0.032)
9度
0.064 0.040
注：1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；
底部剪力法适用于重量和刚度沿高度分布比较均
匀的结构。当建筑物有突出屋面的小建筑如屋顶间、
女儿墙、烟囱等时，由于该部分的重量和刚度突然
变小，将产生鞭稍效应，使其地震反应特别强烈。
为简化计算，《抗震规范》提出，当计算这类小建
筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大
部分不再向下传递。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
结构自振周期 场地特征周期 地震影响系数最大值
直线下降段的下降斜率调整系数(一般情况取0.2)
阻尼调整系数(一般情况取1.0) 衰减指数(一般情况取0.9)
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系 抗震设防 烈度
设计基本地 震加速度值
6
0.05g
７
0.10(0.15)g
Z
风 压 高 度 变 化 系 数
离地面或海平 面高度（m)
5 15 50
地面粗糙度类别

第四章 风荷载 第一节 风的基本知识
二、两类性质的大风
1. 台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在暖热带洋面 上空，在合适的环境下，气流产生上升和对流运动。 2. 季风 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大 陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风。
第四章 风荷载 第一节 风的基本知识
16
17
184-201
202-220
100-108
109-118
51.0-56.0
56.1-61.2
第四章 风荷载 第一节 风的基本知识
四、风的破坏作用 当风速和风力超过一定限度时，就会给人类社会带来巨大 灾害。 2005年8月23日，卡特里娜飓风在在美国新奥尔良以西地区 登陆，登陆时风速达到225km/h（64.4m／s）。
3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
微风
和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
0.6
1.0 2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 14.0
1.0
1.5 2.5 4.0 5.5 7.5 10.0 12.5 16.5 —
旌旗展开
吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁重大 摧毁极大
V Vz
式中 V——标准条件10m高度处时距为10分钟的平均风速（m/s）；Vz— —非标准条件z高度（m）处时距为10分钟的平均风速（m/s）；——换 算系数，按下表取值。
实测风速高度（m）
高度换算系数
4
1.158
6
1.085
8
1.036
10
1.000
12

-0.5
§ 2.2风荷载（风荷载例题）
-0.6
-0.6
10.2m
（5）风载体型系数：
+0.8 24m
wind
s
＝0.8－（－（0.48＋0.03H/L）） ＝1.3
➢ 基本自振周期T1> 0.25 S的工程结构，高度大于30m且高宽 比大于1.5的高柔房屋，考虑风压脉动对结构发生顺风向风 振的影响。风振计算按照随机振动理论进行，结构自振周 期按照结构动力学计算
➢ 一般悬臂型结构（构架、塔架、烟囱等高耸结构），高度 大于30m，高宽比大于1.5且可以忽略扭转影响的高层建筑， 按照下式计算：
高层建筑结构——荷载
§ 2.2风荷载（概念）
一、概念：空气流动形成风（近地风起主要作用）
迎风面：压力
背风面：吸力
风毁事故：桥梁
高层—少，局部破坏多（玻璃）
高耸—有
二、随机性—按照统计规律归纳出风荷载标准值计算公式
当计算主要承重结构时
Wk z s z w0
Wk ：风荷载标准值（kN/m2）
高层建筑结构——荷载
高层建筑结构——荷载
§ 2.2风荷载（风荷载体型系数举例）
典型风荷载体型系数举例
高层建筑结构——荷载
§ 2.2风荷载（风荷载体型系数举例）
典型风荷载体型系数举例
高层建筑结构——荷载
§ 2.2风荷载（局部风压体型系数）
局部风压体型系数： ➢ 正压区：同上取法 ➢ 负压区：
◆ 墙面：-1.0 ◆ 墙角边：-1.8 ◆ 屋面局部部位（周边和屋面坡度大于100的屋脊部位）： -2.2 ◆ 檐口、雨篷、遮阳板等突出构件：-2.0
s =垂直于建筑表面的平均风作用力/基本风压值