如何计算风荷载

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用通用公式计算风荷载

用美国电子工业协会的公式计算风荷载

使用1997年《统一建筑规范》（UBC）的公式来计算风荷载

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参考

风指的是从高压区向低压区流动的空气，它流动的方向大部分时候是水平的。强风具有很大的破坏力，因为它们会对建筑物表面施加压力。这种压力的强度就是风荷载。风的影响取决于建筑物的大小和形状。为了设计和建造更加安全、抗风能力更强的建筑物，以及在建筑物顶部安放天线等物体，计算风荷载很有必要。

步骤

方法 1

方法 1 的 3:

用通用公式计算风荷载

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   了解通用公式。风荷载的通用公式是F = A x P x Cd，其中F是力或风荷载，A是物体的受力面积，P是风压，而Cd是阻力系数。这个公式在估算特定物体的风荷载时非常有用，但无法满足规划新建筑的建筑规范要求。
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   得出受力面积A。它是承受风吹的二维面面积。为了进行全面分析，你得对建筑物的每个面各做一次计算。比如，如果建筑物西侧面的面积为20m²，那就把这个值代入公式中的A，来计算西侧面的风荷载。

   • 计算面积的公式取决于面的形状。计算平坦壁面的面积时，可以使用公式面积 = 长 x 高。公式面积 = 直径 x 高度可以算出圆柱面面积的近似值。
   • 使用国际单位计算时，面积A应该使用平方米（m²）作为单位。
   • 使用英制单位计算时，面积A应该使用平方英尺（ft²）作为单位。
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   计算风压。使用英制单位（磅/平方英尺）时，风压P的简单公式为P = 0.00256V^{2}，其中V是风速，单位为英里/小时（mph）。 而使用国际单位（牛/平方米）时，公式会变成P = 0.613V^{2}，其中V的单位是米/秒。

   • 这个公式是基于美国土木工程师协会的规范。系数0.00256是根据空气密度和重力加速度的典型值计算得出的。
   • 工程师会考虑周围地形和建筑类型等因素，使用更精确的公式。你可以在ASCE规范7-05中查找公式，或使用下文的UBC公式。
   • 如果你不确定风速是多少，可以查询美国电子工业协会（EIA）标准或其他相关标准，找到你们当地的最高风速。比如，美国大部分地区都是A级区，最大风速为86.6 mph，但沿海地区可能位于B级区或C级区，前者的最大风速为100 mph，后者为111.8 mph。
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   确定对象物体的阻力系数。空气阻力是空气对建筑物施加的力，受到建筑物形状、表面粗糙程度和其他几个因素的影响。工程师通常用实验直接测量空气阻力，但是在粗略估计时，你可以查询所测形状阻力系数的典型值。比如：

   • 长圆柱管的标准阻力系数是1.2，而短圆柱管的为0.8。它们适用于许多建筑物都有的天线管。
   • 建筑物表面等平板的标准系数为2.0或1.4，前者适用于长平板，后者适用于短平板。
   • 阻力系数没有单位。
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   计算风荷载。有了上文确定的值，你可以用公式F = A x P x Cd计算出风荷载。
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   比如，假设你想确定长度为3英尺、直径为0.5英寸的天线，在70 mph的风中承受的风荷载。

   • 先估算受力面积。这种情况下，A = dw = (3ft)(0.5in)(1ft/12in) = 0.125ft^{2}
   • 计算风压：P = 0.00256V^{2} = 0.00256(70^{2}) = 12.5 psf。
   • 短圆柱的阻力系数是0.8。
   • 代入公式：F = APCd = (0.125ft^{2})(12.5psf)(0.8) = 1.25 lbs。
   • 1.25磅就是天线承受的风荷载。
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方法 2

方法 2 的 3:

用美国电子工业协会的公式计算风荷载

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   了解美国电子工业协会规定的公式。风荷载公式是F = A x P x Cd x Kz x Gh，其中A是受力面积，P是风压，Cd是阻力系数，Kz是暴露系数，而Gh是阵风响应因子。这个公式在计算风荷载时考虑了另外几个参数。它通常用于计算天线上的风荷载。
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   理解公式的变量。为了正确使用公式，你必须了解每个变量代表的含义，以及它使用的单位。

   • A、P、Cd和通用公式中使用的一样。
   • Kz是暴露系数，计算它时考虑了从地面到物体中点的高度。它的单位是英尺。
   • Gh是阵风响应因子，计算它时考虑了整个物体的高度。它的单位是1/英尺或ft^-1。
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   确定受力面积。物体的受力面积取决于它的形状和大小。平坦壁面的受力面积计算起来，比圆形物体简单一些。受力面积会取近似值，使用与风接触的面积。计算受力面积没有公式，但你可以通过一些基本的计算来估算它。面积的单位是ft²。

   • 对于平坦壁面，你可以测量承受风力的墙壁的长和宽，使用公式面积 = 长 x 宽来计算受力面积。
   • 对于管状物和圆柱形，你也可以使用长和宽来计算它的近似面积。这种情况下，管状物和圆柱形的宽是以它的直径为准。
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   计算风压。风压可以使用公式P = 0.00256 x V²来计算，其中V是风速，单位是公里/小时（mph）。风压的单位是磅/平方英尺（psf）。

   • 比如，如果风速是70 mph，风压等于0.00256 x 70² = 12.5 psf。
   • 计算特定风速下的风压时，你也可以使用不同风区的标准。比如，根据美国电子工业协会（EIA）的划分，美国大部分地区都是A级区，最大风速为86.6 mph，但沿海地区可能位于B级区或C级区，前者的最大风速为100 mph，后者为111.8 mph。
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   确定涉及物体的阻力系数。空气阻力是物体表面上承受的力在流动方向上产生的合力。阻力系数表示物体通过流体受到的阻力，取决于物体的形状、大小和粗糙度。

   • 长圆柱管的标准阻力系数是1.2，短圆柱的是0.8。它们适用于许多建筑都有的天线管。
   • 建筑物表面等平板的标准系数为2.0或1.4，前者适用于长平板，后者适用于短平板。
   • 平面和圆柱体的阻力系数之间的差值约为0.6。
   • 阻力系数没有单位。
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   计算暴露系数Kz。Kz的计算公式是[z/33]^(2/7)，其中z是地面到物体中点的高度。

   • 比如，如果天线的长度为3 ft，距离地面48 ft，则z等于46.5 ft。
   • Kz = [z/33]^(2/7) = [46.5/33]^(2/7) = 1.1 ft。
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   计算阵风响应因子Gh。阵风响应因子的计算公式是Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)]，其中h是物体的高度。

   • 比如，如果天线的长度为3 ft，离地48 ft，则Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)] = .65+.60/(51/33)^(1/7) = 1.22 ft^-1
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   计算风荷载。有了上文得出的值，你可以用公式F = A x P x Cd x Kz x Gh来计算风荷载。把所有变量代入公式中，进行计算。

   • 比如，假设你想计算长度为3英尺，半径为0.5英寸的天线，在风速70mph的风中承受的风荷载。它位于48 ft高的建筑物的顶部。
   • 先计算受力面积。这种情况下，A = l x w = 3 ft x (0.5in x (1 ft/12 in)) = 0.125 ft²。
   • 计算风压：P = 0.00256 x V² = 0.00256 x 70² = 12.5 psf。
   • 短圆柱的阻力系数是0.8。
   • 计算暴露系数：Kz = [z/33]^(2/7) = [46.5/33]^(2/7) = 1.1 ft。
   • 计算阵风响应因子：Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)] = .65+.60/(51/33)^(1/7) = 1.22 ft^-1
   • 代入公式：F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0.125 x 12.5 x 0.8 x 1.1 x 1.22 = 1.68 lbs。
   • 1.68磅就是天线承受的风荷载。
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方法 3

方法 3 的 3:

使用1997年《统一建筑规范》（UBC）的公式来计算风荷载

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   了解UBC ’97公式。这个公式是《统一建筑规范》（UBC）在1997年规定的风荷载计算公式。公式写作F = A x P，其中A是受力面积，P是风压。不过，这个公式计算风压的方式有点不同。

   • 风压（PSF）的计算公式为P= Ce x Cq x Qs x Iw，其中Ce是综合高度、暴露和阵风响应因子，Cq是压力系数，等于前两个公式的阻力系数，Qs是风滞压力，而Iw是重要性系数。这些值都可以计算得出，或查询适当表格找到。
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   确定受力面积。物体的受力面积取决于它的形状和大小。平坦壁面的受力面积计算起来，比圆形物体简单一些。受力面积会取近似值，使用与风接触的面积。计算受力面积没有公式，但你可以通过一些基本的计算来估算它。面积的单位是ft²。

   • 对于平坦壁面，你可以测量承受风力的墙壁的长和宽，使用公式面积 = 长 x 宽来计算受力面积。
   • 对于管状物和圆柱形，你也可以使用长和宽来计算它的近似面积。这种情况下，管状物和圆柱形的宽是它的直径。
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   确定综合高度、暴露和阵风响应因子Ce。这个值是根据UBC表16-G选择的，考虑了高度不同的三个地形暴露情况和它们各自的Ce。

   • “暴露B是有建筑物、树木或其他不规则覆盖物的地形，且它们覆盖至少20%的周围区域，从建筑位置延伸1.6公里或更长。”
   • “暴露C指的是平坦地形，一般比较开阔，从建筑位置延伸0.8公里或更长。”
   • “暴露D最为严重，它的基本风速大于或等于129 km/hr，且地形平坦，无障碍的面对大量水体。”
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   确定对象物体的压力系数。压力系数Cq等于阻力系数Cd。空气阻力是物体表面上承受的力在流动方向上产生的合力。阻力系数表示物体通过流体受到的阻力，取决于物体的形状、大小和粗糙度。

   • 长圆柱管的标准阻力系数是1.2，短圆柱的是0.8。它们适用于许多建筑都有的天线管。
   • 建筑物表面等平板的标准系数为2.0或1.4，前者适用于长平板，后者适用于短平板。
   • 平面和圆柱体的阻力系数之间的差值约为0.6。
   • 阻力系数没有单位。
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   确定风滞压力。Qs是风滞压力，等于之前公式计算的风压。Qs = 0.00256 x V²，其中V是风速，单位是英里/小时（mph）。

   • 比如，如果风速是70 mpg，则风滞压力等于0.00256 x 70² = 12.5 psf。
   • 你也可以使用为各风区设置的标准值。比如，根据美国电子工业协会（EIA）的划分，美国大部分地区都是A级区，最大风速为86.6 mph，但沿海地区可能位于B级区或C级区，前者的最大风速为100 mph，后者为111.8 mph。
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   确定重要性系数。Iw是重要性系数，可以使用UBC表16-K确定。它是一个乘数，用于计算荷载，计算时会考虑建筑的用途。如果建筑含有有害物质，它的重要性系数会高于传统建筑。

   • 标准用途建筑的重要性系数等于1。
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   计算风荷载。有了上文确定的值，你可以用公式F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw来计算风荷载。把所有变量代入公式中，进行计算。

   • 比如，假设你想计算长度为3英尺，半径为0.5英寸的天线，在风速70mph的风中承受的风荷载。它被放在48英尺高的标准建筑物的顶部，所在区域属于暴露B地形。
   • 先计算受力面积。这种情况下，A = l x w = 3 ft x (0.5in x (1 ft/12 in)) = 0.125 ft²。
   • 确定Ce。在表16-G中查询高度48英尺和暴露B地形，可以看到Ce等于0.84。
   • 短圆柱体的阻力系数Cq是0.8。
   • 计算Qs：Qs = 0.00256 x V² = 0.00256 x 70² = 12.5 psf。
   • 确定重要性系数。它是标准建筑，因此Iw等于1。
   • 代入公式：F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0.125 x 0.84 x 0.8 x 12.5 x 1= 1.05 lbs。
   • 1.05磅就是天线承受的风荷载。
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小提示

• 要知道，风速会随距离地面高度的变化而变化。它随结构高度的增加而增加，在离地面较近处的风速是最难预测的，因为它会受地面物体相互作用的影响。
• 注意，这种不可预测性会让风力计算很难得到精确的结果。

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