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【摘 要】本文对目前主流的建筑结构风压峰值估计方法进行了分析对比，结果显示：峰值因子法对于负压区的峰值估计存在较大误差；概率分析法是较精确的方法，但过长的采样时间使其存在着一定的局限性；极值风压包络值仅适用于围护结构的峰值风压估计；风洞实验法则成本较大，经济性差。
【关键词】风压峰值估计；峰值因子法；概率分析法；风洞实验
文章编号：ISSN1006—656X（2014）05-0294-01
引言
自然界中，风灾是给人类造成损失最大的一种灾害，其中风灾中受损最为严重的通常是大跨度结构及高层建筑。随着科学技术的不断进步，建筑物有选材更加轻柔，跨度不断增大的趋势。因此，研究风压峰值的估算方法可以有效的避免风灾带来的破坏，具有重要的工程理论和实际意义。
目前，风荷载的主要研究方法有：风洞实验，现场实测，计算流体力学数值模拟等，找到简单、有效、准确的极值风压计算方法是实际工程中需要解决的重要问题。本文结合国内外研究现状，讨论了峰值因子法，概率分析法，极值风压包络值和风洞实验法的理论基础，并对各种方法的特点进行了分析比较，据此对工程中风压峰值的估算方法提出建议。
一、国内外研究现状
就房屋结构的抗风性能而言，首先就要关注和局部围护结构设计相关的峰值风压估计问题，作用于屋面（也包括墙体）的风压的极值估算是极其重要的，合理的极值风荷载设计值可以有效的降低低矮房屋的风致破坏。因此研究低矮房屋的峰值风压估算方法有着非常重要的理论和工程应用价值。目前，常用的低矮房屋维护结构极值风压估算方法有以下四种：
（一）峰值因子法
峰值因子法多为西方国家规范采用，其基本思路是认为峰值因子与风压系数时程均方根的乘积就是脉动风的成份，峰值因子则是基于脉动风压服从高斯分布的基础上，通过高斯过程的零值穿越理论给出。具体计算方法为将峰值因子与风压系数时程的均方根的乘积作为脉动风的成分，即：
Cpmax = Cpmean + gCprms （1）
Cpmin = Cpmean - gCprms （2）
式中： Cpmax、Cpmin、Cpmean 和Cprms分别为正压极值压力系数、负压极值压力系数、平均压力系数和脉动压力系数，其值由表面压力除以参考风压求得； g为峰值因子。
峰值因子的取值范围，一般在3.5-4.5之间，具体取值与风工程研究者经验相关，有一定的随机性。当采用峰值因子法计算极值风压时，对于正压区来说，风压极值分布趋近于高斯分布，因此估计值较为精确，在工程上应用较为广泛；对于负压区来说，由于峰值因子离散性较大，则可能得出与真实情况差别较大的结果。
（二）概率分析法
按基本風压取值的平均时距（我国规范是10分钟）将风压序列分成若干段子序列，统计子序列的最大值，并对该最大值序列做算术平均可以得到风压系数的极大值。峰值分段平均法的估算精度与子序列段数存在着直接的联系，对于尺度较小的低矮房屋建筑来说，由于需要兼顾模型大小而采用较大的缩尺比，这导致在风洞试验中很难保证采集时间足够长的样本（样本太长过于耗时致使非常不经济），因此该方法在具有较高精确性的同时存在着很大的局限性。该方法的具体计算步骤为：
（1）按基本风压取值的平均时距将风压序列分成 段子序列，也即 =600s，这里假定 是可以被 整除的；
（2）统计这 段子序列的最大值，并对得到的最大值序列做算术平均可以得到风压系数的极大值；
（3）统计 段子序列的最小值，并对得到的最小值序列做算术平均可以得到风压系数的极小值。在得到极大和极小风压系数后，可以反推得到等效的极大和极小风压的峰值因子。
概率分析法适用于长样本序列的极值统计分析，且通常要求样本足够长， 至少应该是在10以上，较为理想的 应该是30。应该特别注意的是在样本足够长即 的情况下，分段峰值平均方法为风压极值估算的精确方法。
应该指出的是：上述估算的峰值风压系数是在假定转换到原型的样本时间长度为10分钟的情况下得到的，由于风洞试验测试的采样时间长度基本是固定的，每个模型的缩尺比和试验风速也相对不变，对于不同的基本风压（或考虑到风向风速的变化），实际上由固定的模型时间转换原型上的时间是变化的，其峰值风压系数本身应该是随基本风压和风向的变化而变化的。
（三）极值风压包络值
考虑到风向对测点极值风压的影响，设计时需取其最不利情况作为设计的标准。通常的做法是对所有测量的风向角中取出其最大值与最小值作为风荷载的标准值。该方法被普遍用于维护结构的抗风设计当中，其优点在于充分考虑风向角对极值风压的影响。
（四）风洞实验
在结构的抗风研究与设计中，需要参考结构的体型系数和风振系数，但是仅靠荷载规范，很难达到足够精确。实际常采用风洞实验获得结构的体型系数和风振系数。目前，大多数风洞实验都是在模拟大气边界层的风洞中进行，风洞试验中应当注意地面粗糙性质的模拟，不同地貌模拟得出的结果都不相同。通常认为在离地面300～500米时，风速不再受地面粗糙度影响。此外，风洞试验采用的参考风压也是确定风剖面的关键因素，目前，风洞试验有两种选择，一种是选择该建筑物高度上某一标高处（如屋檐高度处）；另一种是选择建筑物上空梯度风高度标高处的风速。从目前研究结果来看，后者模拟的风速剖面才更吻合大气层气流对建筑物表面的压力分布规律，且为下一步计算带来方便。
风洞试验的优点在于可以人为控制、改变和重复试验条件，所以实现起来效果很高。特别是当实际结构外形或所处环境较复杂的情况下，可以通过对实际条件的适当简化来达到研究的目的，这是其它手段很难达到的。但在风洞实验室内进行的是缩尺模型试验，要完全模拟大气边界层比较困难，只能做到主要的物理参数相似。到目前为止，风洞试验是研究结构风效应最主流与有效的方法。
二、存在问题和不足
峰值因子法由于采用峰值风压的高斯分布假设，在负压极值估计中存在着很大的误差，因此，峰值因子法不适用于负压起控制作用的低矮房屋及大跨度结构。概率分析法则需要较长的采样时间，对于缩尺比较小的建筑物来说，采样时间通常是难以忍受的。极值风压包络法考虑风向变化对极值风压的影响，因此是最安全的风压极值估计方法，但其只用范围仅限于围护结构。风洞实验方法结果最为可信，但成本较高，通常只有在结构体型复杂的情况下采用。
值得特别注意的是，低矮房屋峰值风压估计中存在的问题主要在于两方面：一方面是低矮房屋结构表面风压往往表现出明显的非高斯性，如果采用高斯风压假设则会得到明显偏小的极值估算结果；另外一方面是由于风洞试验模型缩尺比导致的原型采样时间过短。目前风工程界尚未有统一达成共识的风压极值估算方法，只能在上述方法中根据实际工况选取相对精确的方法。
参考文献：
[1]石碧青， 宁， 华. 护结构峰值风压估计方法研究[J]. 构风工程学术会议论文集，2012.
[2]陈凯，孙海角，何连华 ，符龙彪，武林.结构极值风压估算方法研究[J].建筑科学2012（7）.
【关键词】风压峰值估计；峰值因子法；概率分析法；风洞实验
文章编号：ISSN1006—656X（2014）05-0294-01
引言
自然界中，风灾是给人类造成损失最大的一种灾害，其中风灾中受损最为严重的通常是大跨度结构及高层建筑。随着科学技术的不断进步，建筑物有选材更加轻柔，跨度不断增大的趋势。因此，研究风压峰值的估算方法可以有效的避免风灾带来的破坏，具有重要的工程理论和实际意义。
目前，风荷载的主要研究方法有：风洞实验，现场实测，计算流体力学数值模拟等，找到简单、有效、准确的极值风压计算方法是实际工程中需要解决的重要问题。本文结合国内外研究现状，讨论了峰值因子法，概率分析法，极值风压包络值和风洞实验法的理论基础，并对各种方法的特点进行了分析比较，据此对工程中风压峰值的估算方法提出建议。
一、国内外研究现状
就房屋结构的抗风性能而言，首先就要关注和局部围护结构设计相关的峰值风压估计问题，作用于屋面（也包括墙体）的风压的极值估算是极其重要的，合理的极值风荷载设计值可以有效的降低低矮房屋的风致破坏。因此研究低矮房屋的峰值风压估算方法有着非常重要的理论和工程应用价值。目前，常用的低矮房屋维护结构极值风压估算方法有以下四种：
（一）峰值因子法
峰值因子法多为西方国家规范采用，其基本思路是认为峰值因子与风压系数时程均方根的乘积就是脉动风的成份，峰值因子则是基于脉动风压服从高斯分布的基础上，通过高斯过程的零值穿越理论给出。具体计算方法为将峰值因子与风压系数时程的均方根的乘积作为脉动风的成分，即：
Cpmax = Cpmean + gCprms （1）
Cpmin = Cpmean - gCprms （2）
式中： Cpmax、Cpmin、Cpmean 和Cprms分别为正压极值压力系数、负压极值压力系数、平均压力系数和脉动压力系数，其值由表面压力除以参考风压求得； g为峰值因子。
峰值因子的取值范围，一般在3.5-4.5之间，具体取值与风工程研究者经验相关，有一定的随机性。当采用峰值因子法计算极值风压时，对于正压区来说，风压极值分布趋近于高斯分布，因此估计值较为精确，在工程上应用较为广泛；对于负压区来说，由于峰值因子离散性较大，则可能得出与真实情况差别较大的结果。
（二）概率分析法
按基本風压取值的平均时距（我国规范是10分钟）将风压序列分成若干段子序列，统计子序列的最大值，并对该最大值序列做算术平均可以得到风压系数的极大值。峰值分段平均法的估算精度与子序列段数存在着直接的联系，对于尺度较小的低矮房屋建筑来说，由于需要兼顾模型大小而采用较大的缩尺比，这导致在风洞试验中很难保证采集时间足够长的样本（样本太长过于耗时致使非常不经济），因此该方法在具有较高精确性的同时存在着很大的局限性。该方法的具体计算步骤为：
（1）按基本风压取值的平均时距将风压序列分成 段子序列，也即 =600s，这里假定 是可以被 整除的；
（2）统计这 段子序列的最大值，并对得到的最大值序列做算术平均可以得到风压系数的极大值；
（3）统计 段子序列的最小值，并对得到的最小值序列做算术平均可以得到风压系数的极小值。在得到极大和极小风压系数后，可以反推得到等效的极大和极小风压的峰值因子。
概率分析法适用于长样本序列的极值统计分析，且通常要求样本足够长， 至少应该是在10以上，较为理想的 应该是30。应该特别注意的是在样本足够长即 的情况下，分段峰值平均方法为风压极值估算的精确方法。
应该指出的是：上述估算的峰值风压系数是在假定转换到原型的样本时间长度为10分钟的情况下得到的，由于风洞试验测试的采样时间长度基本是固定的，每个模型的缩尺比和试验风速也相对不变，对于不同的基本风压（或考虑到风向风速的变化），实际上由固定的模型时间转换原型上的时间是变化的，其峰值风压系数本身应该是随基本风压和风向的变化而变化的。
（三）极值风压包络值
考虑到风向对测点极值风压的影响，设计时需取其最不利情况作为设计的标准。通常的做法是对所有测量的风向角中取出其最大值与最小值作为风荷载的标准值。该方法被普遍用于维护结构的抗风设计当中，其优点在于充分考虑风向角对极值风压的影响。
（四）风洞实验
在结构的抗风研究与设计中，需要参考结构的体型系数和风振系数，但是仅靠荷载规范，很难达到足够精确。实际常采用风洞实验获得结构的体型系数和风振系数。目前，大多数风洞实验都是在模拟大气边界层的风洞中进行，风洞试验中应当注意地面粗糙性质的模拟，不同地貌模拟得出的结果都不相同。通常认为在离地面300～500米时，风速不再受地面粗糙度影响。此外，风洞试验采用的参考风压也是确定风剖面的关键因素，目前，风洞试验有两种选择，一种是选择该建筑物高度上某一标高处（如屋檐高度处）；另一种是选择建筑物上空梯度风高度标高处的风速。从目前研究结果来看，后者模拟的风速剖面才更吻合大气层气流对建筑物表面的压力分布规律，且为下一步计算带来方便。
风洞试验的优点在于可以人为控制、改变和重复试验条件，所以实现起来效果很高。特别是当实际结构外形或所处环境较复杂的情况下，可以通过对实际条件的适当简化来达到研究的目的，这是其它手段很难达到的。但在风洞实验室内进行的是缩尺模型试验，要完全模拟大气边界层比较困难，只能做到主要的物理参数相似。到目前为止，风洞试验是研究结构风效应最主流与有效的方法。
二、存在问题和不足
峰值因子法由于采用峰值风压的高斯分布假设，在负压极值估计中存在着很大的误差，因此，峰值因子法不适用于负压起控制作用的低矮房屋及大跨度结构。概率分析法则需要较长的采样时间，对于缩尺比较小的建筑物来说，采样时间通常是难以忍受的。极值风压包络法考虑风向变化对极值风压的影响，因此是最安全的风压极值估计方法，但其只用范围仅限于围护结构。风洞实验方法结果最为可信，但成本较高，通常只有在结构体型复杂的情况下采用。
值得特别注意的是，低矮房屋峰值风压估计中存在的问题主要在于两方面：一方面是低矮房屋结构表面风压往往表现出明显的非高斯性，如果采用高斯风压假设则会得到明显偏小的极值估算结果；另外一方面是由于风洞试验模型缩尺比导致的原型采样时间过短。目前风工程界尚未有统一达成共识的风压极值估算方法，只能在上述方法中根据实际工况选取相对精确的方法。
参考文献：
[1]石碧青， 宁， 华. 护结构峰值风压估计方法研究[J]. 构风工程学术会议论文集，2012.
[2]陈凯，孙海角，何连华 ，符龙彪，武林.结构极值风压估算方法研究[J].建筑科学2012（7）.