工程设计风速是怎么来的?

学术   2024-11-14 12:02   广东  

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01

引言

每一个工程项目,都需要抵御大风灾害,所以工程在设计的过程中,需要考虑结构强度上的安全,以确保工程设计的合理可靠。如果设计风速取小了,抗灾能力不达标;如果设计风速取大了,造成投资浪费。所以,合理确定工程设计风速,向来是水文气象专业的一项重要工作。
对于风速来说,有一个风力大小的概念和持续时间的概念。一般工程设计中,会常常提到“最大风速”和“极大风速”。在气象行业的专业用语中,一般最大风速指的是10分钟时距,而极大风速指的是3秒时距,虽然都是“*大风速”,但是持续时间的含义不一样。

那么,工程设计风速是怎么分析得来的呢?请容笔者慢慢道来。

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02

工程设计风速的分析

2.1 了解工程点所在区域的大风成因与概况


对工程点区域的大风成因和概况进行分析说明主要是回答下面四个问题,即:

(1)工程点年平均大风日数有多少天?(大风日数一般指当日的极大风速超过17.2m/s的日数)

(2)工程点大风发生的时间有没有明显的统计特征?比如都在冬季,或者都在春夏交接时段。

(3)工程点的大风一般是由哪些因素造成的?比如热带气旋,强对流天气,寒潮,特殊地形等。

(4)工程点附近遭受风灾的严重程度大体如何?或者说风力大概多少级?.............................................

2.2 工程点风灾事例调查


一般结合气象灾害大典、气象年鉴、气象灾害志、地区气象年报、省市县志、省市县年鉴、气象网站公开报道等,按时间顺序进行列举,尤其是风灾特别严重的情况。如《霞浦年鉴2019》中,就有描述2018年“玛利亚”强台风造成的影响,如图1所示,在“主要气象灾害”篇幅中,说明了霞浦国家气象站极大风速42.3m/s,全县大部分测风区域站极大风速都在10-13级左右,局部超过17级,其中霞浦县三沙镇花竹村极大风速59.3m/s,以及后文中列举的灾害损失情况,包括供电中断74条次,通讯中断432条次,损坏堤防62处,损坏护岸41处,倒塌房屋120间等等。

图1  《霞浦年鉴2019》的气象灾害信息摘选

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2.3 工程点相对较大的风力的分析说明


比如了解到2018年有“玛利亚”强台风在地区形成的较大风力后,就需要对其进行更为细致的分析,以供工程设计风速分析的参考。

(1)这次强台风是怎么影响到工程区域的?(台风影响路径图)

图2  台风影响情况分析图

(2)这次“玛利亚”强台风影响区域附近国家气象站、区域气象站或其他测风设施的实测风力情况如何?

国家站-霞浦气象站-极大风速-42.3m/s

国家站-罗源气象站-极大风速-56.1m/s

国家站-三沙气象站-极大风速-59.3m/s

区域站-洪江村站-极大风速-51.8m/s

风电场-记录最大瞬时风速-超过75m/s

…等等…

图3  霞浦气象站台风影响过程中的小时整点风力变化情况

(3)这次台风与历史台风灾害的比较情况

通过这次台风与历史台风的影响情况对比,对如此大的风力情况进行重现期的分析(类似此前发布的文章中探讨的日最大降水量的重现期分析)。如有必要,比如基本很少很少会出现这样的台风,则按实测特大值考虑。

图4  原来类似2018年这场台风的还有不少
水文气象专业人员非常核心的一个工作内容,就是对比前前后后这些台风所形成的风力大小情况。一般需要向当地专业的部门调查了解。如果判断2018年的这场台风是有记录以来,影响最严重的,那么就能够按一定时间长度的特大值考虑。

图5  专业部门一般都有对历史特大风灾进行详细论述

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2.4 气象参证站的风速推算


利用气象参证站(一般选用国家气象站,资料年限一般要求30年一遇,同时序列中宜含有某次较大风灾的情况)的实测序列,分析工程所需设计标准的相应风速值,比如50年一遇。


2.5 邻近气象参考站的风速推算


对于受大风影响显著的工程区域,宜选用附近更多的气象站点风速资料进行对比分析。比如前面述及的项目位置与霞浦气象站,就可与东侧的三沙气象站进行对比分析。

2.5.1 对比分析思路1---按每次影响台风的风力进行比对

图6  0808号台风影响

图7  1513号台风影响

图8  1808号台风影响

列举两次台风的风速分析对比结果如图9所示。

图9  台风过程风力对比
2.5.2 对比分析思路2---按两站同步大风对比
由于笔者缺乏小时资料,本小结由上海位温气象服务商协助完成。比如霞浦气象站和三沙气象站,同时出现最大风速大于等于10.8m/s(6级强风的平均风速)的情况,共有150个样本,拟合得到“三沙站=1.017*霞浦站+3.548”的结果。再将2.4中算得的参证站霞浦站的风速代入公式中,就可以得到三沙站的风速情况。当然,对于样本的选取,还可以很多种,比如同时最大风速在8级以上等等,拟合的结果会略有差异。
2.5.3 对比分析思路3-直接用三沙站的短系列资料(10-15年)进行分析

直接通过序列的频率分析计算,得到某重现期的风速值。其中2018年的相对大值,可以按照2.3节的分析按某时间年限内的特大值处理。


2.6 风压图反算风速


利用区域的某重现期的风压值,来反算相应重现期的风速。

这里,不同的专家又有了不同的意见,如果是选用荷载规范中的风压值,在反算风速的时候是否需要考虑空气密度?尤其是高海拔地区的。您觉得需要考虑空气密度吗?

图10  基本风压图


2.7 区域风速有关分析成果


包括类似电网风速分布图、已建工程风速分析选用及运行等等。对于设计人员来说,会翻阅很多的材料,包括一些技术论文,如论文《海上风电机的抗台风设计》中,有“桑美”台风过程的风力变化情况,如图11所示。“桑美”台风登录过程中气象站10m高极大风速达68m/s,当地风电场测得45米高10分钟平均最大风速为60.1m/s,极大风速为81.1m/s,是水文气象有关的专业对大风分析论证的典型案例。

图11  “桑美”过程部分站点的风力变化


2.8 工程区域的风速分析取值


综合对比气象参证站、短序列的气象参考站、风压反算风速的大小,结合区域风速有关分析结果,综合进行取值。如果是架空输电线路工程,一般还需要开展风速区划的分析,也就是说,西侧某线段风速可以按多少设计,中间段风速可按多少设计,东侧段风速可按多少设计,具体遵照电力工程水文气象专业的有关设计规程。


03

设计评审

一般工程分析风速有了结论后,需要进行多次的评审,以确保工程设计的安全可靠和合理经济。当然,评审专家有时会对设计风速的取值有不同的见解,这都是可以理解的,这就好比前几篇对河南郑州暴雨的分析文章,不同的专家有不同的意见。

图12  评审专家有时也会检索查看一些灾害内容


图13  评审专家有时需要影像资料供参考(报道截屏)


04

交流讨论

您对上述的“工程设计风速”分析过程有何见解呢?利用荷载规范中的风压反算风速时,在较高海拔区域,是否要考虑空气密度呢?欢迎交流。

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