國際電力工程中不同標準的設計風速計算方法

李興凱，王堯，丘海珊

(河北電力勘測設計研究院，石家莊市 050031)

0 引言

隨著國際電力工程的增多，設計標準成為設計人員必須面對的一個問題。在電力工程中，設計風速對建筑物的造價影響很大，例如輸電線路桿塔的荷載主要是塔身風荷載、導地線風荷載、導地線張力、導地線覆冰、桿塔自重、導地線自重等，特別是輕冰區直線塔主要桿件的承載受大風影響更大。設計風速越大，鐵塔質量也越大，工程投資也會越大。因此，如何在不同設計標準下合理確定設計風速的取值對電力工程安全運行和降低工程造價均具有重要意義。

國際電力工程的標書中規定采用的設計標準一般為美國標準、國際標準，或者不低于本國標準。本文針對美國標準ASCE/SEI 7－05—2006《Minimum design loads for buildings and other structures》［1］、國際標準IEC60826—2003《Designcriteriaofoverhead transmission lines》［2］和我國相關標準GB 5009—2001《建筑結構荷載規范》(2006年版)［3］中設計風速計算方法存在的差異進行比較和分析，并通過統計試驗的方法對不同標準進行分析研究，為以后的國際電力工程勘測設計工作提供參考。

1 研究內容

設計風速主要涉及6個方面的問題:(1)地面粗糙度;(2)設計高度;(3)平均風速時距;(4)重現期; (5)選樣方法;(6)試線線型。其中，國際上大多數國家在選樣方法和試線線型方面比較一致，本文針對設計風速的前4個問題進行比較和分析。

2 地面粗糙度

地表越粗糙，風能消耗越厲害，平均風速也就越低。粗糙度的不同，影響著平均風速的取值，因此需要對平均風速規定一個共同的標準。GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地形類別分為A、B、C、D 4類，ASCE/SEI 7－05—2006推薦了B、C、D這3種地形類型，地面粗糙指數α取值見表1。

表1 地面粗糙指數α取值Tab.1Value of ground roughness index α

目前大多數國家的氣象站位于城市的郊區，周圍一般空曠平坦或有少量低層房屋。3個標準對基本風速的規定中GB 5009—2001的B類地形為“田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區”，IEC 60826—2003的B類地形為“只有少數障礙物的鄉村”，ASCE/SEI 7－05—2006的C類地形為“平坦或空曠的鄉村地區”。由各標準對地形的描述可知，基本風速的地形類型是一致的;在粗糙度取值上，GB 5009—2001的B類地形和IEC 60826—2003的B類地形α均取0.16，ASCE/SEI 7－05—2006的C類地形α取1/6.5(0.154)，3個標準基本一致。

3 平均風速時距

風速統計時距不同，所求得的平均風速自然亦不相同。在國際上很多國家的風荷載標準中，標準時距的取值并不一致。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規定基本風速的統計時距為10 min，ASCE/SEI 7－05—2006中規定的基本風速統計時距為3 s。

3.1 我國對風速時距轉換的研究

我國關于不同風速時距轉換的研究成果如下式:

式中:vt為統計時距為t的平均風速，m/s;v為10 min平均風速，m/s;t為時距，s。

文獻［4］給出了瞬時風速v1與10 min風速v的轉換關系，見表2。

表2 瞬時風速與10 min風速的轉換關系Tab.2Conversion relation of instantaneous wind speed and average wind speed in 10 minutes

3.2 IEC 60826—2003中風速時距的轉換關系

IEC 60826—2003中提供了時距為t的平均風速與10 min平均風速關系曲線，見圖1。在曲線上查得vt/v600(v600表示時距為10 min(600 s)的平均風速)，即可求出10 min平均風速。

圖1 時距為t的平均風速與10 min平均風速關系曲線Fig.1Relation curves of average wind speed between t and 10 minutes

3.3 ASCE/SEI 7－05—2006中風速時距的轉換關系

ASCE/SEI 7－05—2006中提供了時距為t的平均風速與1 h的平均風速關系曲線，見圖2。在曲線上查得vt/v3600、v600/v3600(v3600表示時距1 h (3 600 s)的平均風速)即可得出10 min平均風速。

圖2 時距為t的平均風速與1 h的平均風速關系曲線Fig.2Relation curves of average wind speed between t and 1 hour

3.4 不同標準時距轉換結果的對比

根據以上標準分別整理出不同時距的平均風速與10 min平均風速的比值，結果見表3。

由表中結果可知，各標準對不同統計時距風速換算的比值相差不大，誤差一般小于5%。

4 設計高度

風速隨高度而變化，離地越近，由于地表摩擦能量消耗較大，平均風速也就越低。工程設計中一般要求提供某一高度的設計風速。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006中對基本風速的規定中標準高度取10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風速與10 m高風速的轉換公式為

表3 不同時距平均風速與10 min平均風速比值Tab.3Average wind speed ratio of different time and 10 minutes

式中:vh為高度h處的風速;v為高度10 m處的風速; α為地面粗糙指數。

ASCE/SEI 7－05—2006中不同高度的風速與10 m高風速的轉換公式為

由ASCE/SEI 7－05—2006中不同時距t的風速vt與平均1 h風速v3600的轉換關系，查得v3600/v3= 0.65，式(2)轉換為

式中:v3600為高度10 m處平均1 h風速。vt/v3600，等式左側乘以，等式右側乘以vt/ v3600，式(2)轉換為

因此，ASCE/SEI 7－05—2006中給出的不同高度的風速與10 m高風速的轉換公式也可以用式(1)來表示。

5 設計風速重現期

結構荷載設計要求提供某一重現期的設計風速作為設計依據。重現期越長，保證率也就越高，說明結構的安全度越高。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006對基本風速的規定中重現期均為50年一遇。

5.1 國內對設計風速重現期轉換的研究

根據國內研究成果［5］，推算不同重現期的風速比值可參考表4。

表4 不同重現期的風速比值(中國)Tab.4Ratio of wind speed in different return period(China)

5.2 IEC 60826—2003中重現期的轉換關系

IEC 60826—2003中給出了150年一遇、500年一遇風速與50年一遇風速之間的比值，見表5。

表5 不同重現期的風速比值(IEC 60826—2003)Tab.5Ratio of wind speed in different return period(IEC 60826－2003)

5.3 ASCE/SEI 7－05—2006中重現期的轉換關系

ASCE/SEI 7－05—2006給出了風速v＜44.7 m/s時，不同頻率風速與50年一遇風速的比值，見表6。

表6 不同重現期風速比值(ASCE/SEI 7－05—2006)Tab.6Ratio of wind speed in different return period (ASCE/SEI 7－05—2006)

5.4 重現期轉換結果對比

通過給出的任意3個重現期的比值，進行目估試線(線型采用極值Ⅰ型)即可求出不同頻率風速與50年一遇風速的比值，結果見表7。

表7 不同重現期風速的比值Tab.7Ratio of wind speed in different return period

由表7可知，各標準中不同重現期風速的比值相差不大，誤差一般小于5%。

6 統計試驗對比分析

(1)方案1。利用計算機模擬1 000組年平均最大風速系列，每組風速系列有50年數據，分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風速，結果見表8。

(2)方案2。假設1 000組年平均最大風速系列的高度為15 m。按照各標準中的方法將1 000組風速換算為10 m高風速，地形類型分別按照表9中的4種組合考慮，然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風速，計算結果見表9。

(3)方案3。假設1 000組年平均最大風速系列統計時距為3 s，按照各標準中的方法將1 000組風速換算為10 min平均風速，然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風速，計算結果見表10。

(4)方案4。假設1 000組年平均最大風速系列統計時距為3 s、高度為15 m，地形類型按各標準基本風速類型考慮，按照各標準中的方法將1 000組風速換算為10 m高10 min平均風速，然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風速，計算結果見表11。

表8 不同重現期風速的均值(方案1)Tab.8Average wind speed in different return period(project 1)

表11 不同重現期風速的均值(方案4)Tab.11Average wind speed in different return period(project 4)

7 結論

(1)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006中對基本風速的規定中標準高度均為10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風速的轉化公式相同。本文通過對ASCE/ SEI 7－05—2006中不同高度風速的轉換公式的推導，得出與GB 5009—2001和IEC 60826—2003一致的公式形式。

(2)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006對基本風速的規定中重現期均為50年一遇。各標準中不同重現期風速的比值相差不大。統計試驗結果與各標準計算結果基本一致。

(3)GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地面粗糙度分為A、B、C、D 4類，通過對比，4種地形類型的規定是基本相同，只是A類和D類地面類型的粗糙度取值存在較小差距。通過統計試驗研究，粗糙度不同所造成的設計風速相對誤差一般小于1%。

(4)ASCE/SEI 7－05—2006將地面粗糙度分為B、C、D 3類，通過對比，其中D、C、B類地形分別與GB 5009—2001和IEC 60826—2003中的A、B、C對應一致，只是在取值上存在較小差距。通過統計試驗研究，粗糙度不同所造成的設計風速相對誤差一般小于1%。

(5)GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規定的基本風速的統計時距均為10 min，而ASCE/SEI 7－05—2006中規定的基本風速的統計時距為3 s。通過各標準中時距轉化關系的分析和比較，各標準中不同統計時距風速換算的比值相差不大;通過統計試驗研究，粗糙度不同所造成的設計風速相對誤差一般小于5%。

(6)根據方案4的統計試驗結果，可知利用不同高度的不同時距的風速系列計算10 m高10 min設計平均風速，各標準的計算成果相對誤差一般小于5%。

［1］ASCE/SEI 7－05—2006 Minimum design loads for buildings and other structures［S］.America:America Society of Civil Engineers，2006.

［2］IEC 60826—2003 Design criteria of overhead transmission lines［S］.Switzerland:International Electrotechnical Commission，2003.

［3］GB 5009—2001建筑結構荷載規范:2006年版［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［4］中南電力設計院，華東電力設計院，中國電力工程顧問集團公司.電力工程水文氣象計算手冊［M］.武漢:湖北科學技術出版社，2010:397-414.

［5］田啟明.涉外電力工程水文氣象中幾個問題的討論［J］.電力勘測設計，2010(增刊):69-71.

(編輯:馬曉華)