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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] 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。

方法 1
方法 1 的 3:

用通用公式计算风荷载

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  1. 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] 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。
  2. 它是承受风吹的二维面面积。 [3] 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20m 2 ,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(m 2 )作为单位。
    • 使用英制单位计算时,面积 A 应该使用平方英尺(ft 2 )作为单位。
  3. 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] 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]
    • 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]
    • 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。
  4. 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]
    • 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。
  5. 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。
    • 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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  1. 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。
  2. 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
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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] 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。
  6. 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。
  7. 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
  8. 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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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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  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。”
  4. 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] 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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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