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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。 [1] X 研究来源 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
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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。 [2] X 研究来源 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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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）。 [4] X 研究来源 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。 [5] X 研究来源
- 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。 [6] X 研究来源
- 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： [7] X 研究来源
- 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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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ft 2 。
- 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 V 2 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 70 2 = 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。 [8] X 研究来源 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 ft 2 。
- 计算风压： P = 0.00256 x V 2 = 0.00256 x 70 2 = 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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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ft 2 。
- 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。 [9] X 研究来源 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 V 2 ，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 70 2 = 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 ft 2 。
- 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 V 2 = 0.00256 x 70 2 = 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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参考
- ↑ http://www.slideshare.net/machota2011/wind-load-calculation
- ↑ http://k7nv.com/notebook/topics/windload.html
- ↑ http://www.aij.or.jp/jpn/symposium/2006/loads/Chapter6_com.pdf
- ↑ http://k7nv.com/notebook/topics/windload.html
- ↑ http://richardson.eng.ua.edu/Former_Courses/DWRS_fa11/Notes/ASCE_7_05_Chapter_6.pdf
- ↑ http://www.digitalcanal.com/pdf/pdf/Analytical05.pdf
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html
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