姜喜慶 ，李瑞鴿 ＊，李 騫 ，祝東紅 ，陳小素 ，付 鵬 ，沈明杰

（1.臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州市建設(shè)工程設(shè)計(jì)審查中心，浙江 臺(tái)州 318000；3.臺(tái)州市精筑建設(shè)工程施工圖審查中心，浙江 臺(tái)州 318000；4.臺(tái)州市氣象局，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的浙東南沿海地區(qū)，風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的主要水平荷載，因此基本風(fēng)壓的取值是關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。但是由于觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的國(guó)家基準(zhǔn)站和基本站設(shè)置數(shù)量有限，各區(qū)域詳細(xì)基本風(fēng)壓數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏。以浙江省臺(tái)州市為例，該市緊鄰海邊，并且有海島、半島，多山地、丘陵，地勢(shì)復(fù)雜，風(fēng)壓變化幅度大，但是在現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡(jiǎn)稱“現(xiàn)行《規(guī)范》”）中，臺(tái)州市有明確取值規(guī)定的僅有四個(gè)點(diǎn)［1］，分別為臨海市括蒼山、椒江區(qū)洪家、椒江區(qū)下大陳、玉環(huán)市坎門街道（見表1所示）。除洪家外，其他三個(gè)氣象站點(diǎn)均設(shè)置在海島、半島或者海拔1000多米的山頂，基本風(fēng)壓數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)州市的大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有參考意義。因此工程人員在取用各縣市區(qū)的風(fēng)荷載時(shí)只能參考荷載規(guī)范中全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖（如圖1所示）的數(shù)值，按照?qǐng)D中等值線的標(biāo)注，目測(cè)當(dāng)?shù)氐奈恢貌⒐浪銓?duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓。從圖1中可以看出，臺(tái)州市緊鄰海邊，風(fēng)壓等值線很密，風(fēng)壓梯度變化大，靠目測(cè)和估計(jì)很難精確取值，這也造成很多設(shè)計(jì)單位在對(duì)同一片區(qū)域的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)壓取值不同，給行政管理部門和圖審機(jī)構(gòu)的工作帶來很大困擾。據(jù)調(diào)查，臺(tái)州市各縣市區(qū)的工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基本風(fēng)壓取值從0.45-1.45 kN/m2不等，并且沒有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的控制。

圖1 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）風(fēng)壓分布圖局部（臺(tái)州）Fig.1 Wind pressure distribution map（Taizhou）in Load Code for the Design of Building Structures GB50009-2012

隨著科技的發(fā)展，近些年來臺(tái)州地區(qū)設(shè)置了大量的自動(dòng)氣象觀測(cè)站點(diǎn)，安裝了相當(dāng)密集的自動(dòng)記錄式風(fēng)速儀，采集到了一批可觀的數(shù)據(jù)，為精確的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算基本風(fēng)壓提供了寶貴的資料。但是由于記錄時(shí)間較短，近十年來在臺(tái)州正面登陸的臺(tái)風(fēng)幾乎沒有，因此建站歷史較短的氣象站點(diǎn)采用實(shí)際觀測(cè)風(fēng)速資料計(jì)算，得到的50年一遇最大風(fēng)速值偏小，不能直接作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。所以研究氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)不足的沿海地區(qū)基本風(fēng)壓取值方法是迫在眉睫的工作。

1 基于現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定方法的基本風(fēng)壓取值計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)年風(fēng)速最大值的概率分布研究主要集中在極值I型分布、威布爾分布和P-III型分布模型［2，3］。紀(jì)鵬遠(yuǎn)等人根據(jù)澳門地區(qū)風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)極值I型分布、威布爾分布和P-III型分布模型進(jìn)行了擬合檢驗(yàn)，結(jié)果表明極值I型概率分布的擬合效果最好［4］，而且極值I型分布是目前極值概率分布計(jì)算最常用的模型［5，6］，美國(guó)的規(guī)范和我國(guó)現(xiàn)行《規(guī)范》也采用了該模型［7］。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定：風(fēng)速數(shù)據(jù)資料積累年限一般應(yīng)在25年以上，最低不宜少于10年，且觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)考慮均一性。風(fēng)速按年最大值取樣，采用極值I型概率分布模型，計(jì)算50年一遇10 m高10 min平均最大風(fēng)速，得到重現(xiàn)期50年的基本風(fēng)速?；撅L(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系如下：

由于實(shí)際設(shè)置的氣象站超過25年觀測(cè)歷史的很少，所以，采用不低于10年期的站點(diǎn)資料。

根據(jù)極值I型概率分布模型［1］，風(fēng)速的分布函數(shù)為：

擬求50年一遇的風(fēng)速，即x＜xmax的概率為49/50，則：

兩邊取兩次自然對(duì)數(shù)并化簡(jiǎn)得：

其中u和α分別是對(duì)應(yīng)極值I型概率分布的位置參數(shù)和尺度參數(shù)，可根據(jù)采集到的歷年風(fēng)速最大值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及采集年限計(jì)算確定。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照規(guī)范規(guī)定方法，對(duì)臺(tái)州市10年以上風(fēng)速積累數(shù)據(jù)的84個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)一部分站點(diǎn)的基本風(fēng)壓計(jì)算值很不合理，在表1中僅列出其中一部分站點(diǎn)計(jì)算值。

表1 臺(tái)州市部分站點(diǎn)按照規(guī)范計(jì)算的基本風(fēng)壓值Table．1 Local basic wind pressure values calculated according to the codes in Taizhou.

由表1可知，數(shù)據(jù)采集時(shí)間超過30年的站點(diǎn)，基本風(fēng)壓計(jì)算值與規(guī)范取值比較接近，58665（以下簡(jiǎn)稱“洪家站”）和58667兩個(gè)站點(diǎn)計(jì)算值比規(guī)范取值小15%左右；58666站點(diǎn)計(jì)算值與規(guī)范值基本不存在偏差；58653站點(diǎn)計(jì)算值比規(guī)范取值大24.11%。這些站點(diǎn)的基本風(fēng)壓與現(xiàn)行《規(guī)范》給出的風(fēng)壓等值線相比較，也具有一致性；但是對(duì)于觀測(cè)時(shí)間較短的站點(diǎn)，基本風(fēng)壓計(jì)算值明顯不合理。例如編號(hào)為k8103、k8104、k8106、k8107的站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置在洪家街道附近，并且地貌均為平原，在風(fēng)壓等值線圖上，應(yīng)該處于大小相等的位置，但是根據(jù)歷年最大風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，卻得到了最大0.638 kN/m2，最小0.155 kN/m2的基本風(fēng)壓值，最大值和最小值相差超過4倍，顯然不合理。

1.3 存在問題及原因分析

根據(jù)氣象站點(diǎn)實(shí)際采集到的歷年最大風(fēng)速，按照現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)緯度相近，地理環(huán)境同為平原的站點(diǎn)，基本風(fēng)壓計(jì)算值明顯差別巨大，因此不可盲目采用該數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果不考慮地理環(huán)境因素、觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差等不可控制的原因，仍然還有兩個(gè)方面的必然因素，導(dǎo)致了不合理的結(jié)果。

（1）觀測(cè)年限短，觀測(cè)期內(nèi)未出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)天氣。序號(hào)為k8106和k8107的兩個(gè)站點(diǎn)設(shè)置時(shí)間為2006年以后，觀測(cè)年限為10年，通過調(diào)查氣象資料發(fā)現(xiàn)，2005年以后，沒有在臺(tái)州登陸的臺(tái)風(fēng)記錄，因此，采集到的歷年最大風(fēng)速樣本值明顯偏小，利用該批樣本作為統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算出的50年一遇最大風(fēng)速值顯然是不可靠的。

（2）極值I型分布的數(shù)值特征引起的誤差。根據(jù)極值I型概率分布的特征和概率分布函數(shù)可知，在一定的觀測(cè)年限內(nèi)，如果每年的風(fēng)速最大值離散性大，則計(jì)算出的50年一遇的最大風(fēng)速值偏大。例如A和B兩個(gè)站點(diǎn)，年最大風(fēng)速值觀測(cè)如表2所示，在10年內(nèi)A站點(diǎn)和B站點(diǎn)觀測(cè)到的風(fēng)速最大值都為20 m/s，但是A站點(diǎn)歷年最大值都接近20 m/s，而B站點(diǎn)歷年最大值都比較小。直觀推斷，A站點(diǎn)附近的建筑物更應(yīng)該注重抗風(fēng)設(shè)計(jì)，但是按照極值I型分布計(jì)算出的50年一遇最大風(fēng)速值卻是B站點(diǎn)比A站點(diǎn)大75%。這個(gè)計(jì)算結(jié)果解釋了當(dāng)某些站點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間短，并且觀測(cè)時(shí)間內(nèi)沒有出現(xiàn)極端天氣，觀測(cè)數(shù)值離散性小，則會(huì)造成50年一遇的最大風(fēng)速小，基本風(fēng)壓計(jì)算值偏小的現(xiàn)象。

表2 極值I型分布風(fēng)速數(shù)據(jù)離散性對(duì)50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算值的影響Table．2 Influence of the 50 years maximum wind speed by dispersion of type I extreme value wind speed data

鑒于以上兩種因素的影響，在進(jìn)行基本風(fēng)壓計(jì)算時(shí)，不能直接按照極值I型的分布函數(shù)采用歷年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)該對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)均一性原則進(jìn)行合理的推測(cè)處理和樣本選擇。

2 基于國(guó)家級(jí)站點(diǎn)觀測(cè)值的歷年最大值風(fēng)速推測(cè)

由于觀測(cè)年限短，觀測(cè)資料不足造成的基本風(fēng)壓計(jì)算不合理的情況，可以參考觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的國(guó)家級(jí)站點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行歷年最大值風(fēng)速的推測(cè)和插補(bǔ)，計(jì)算出合理的50年一遇風(fēng)速最大值，得到可以作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的基本風(fēng)壓值。

2.1 風(fēng)速均一性檢驗(yàn)

在采用風(fēng)速擬合推測(cè)的方法之前，必須檢驗(yàn)站點(diǎn)之間風(fēng)速是否符合均一性。在本例中，洪家為國(guó)家級(jí)站點(diǎn)，觀測(cè)年限為47年，可以作為參考站點(diǎn)，其他站點(diǎn)的年風(fēng)速最大值和每天風(fēng)速最大值的變化都應(yīng)該具有相關(guān)性和均一性，否則盲目使用擬合方程推測(cè)將會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

由于年風(fēng)速最大值一般出現(xiàn)在7、8、9三個(gè)月份當(dāng)中，因此需檢驗(yàn)2004-2017年7月、8月和9月的風(fēng)速均一性。以k8103站點(diǎn)為例，兩個(gè)站點(diǎn)之間每天最大值風(fēng)速的相關(guān)性和均一性，如圖2所示。自建站以來k8301站點(diǎn)的風(fēng)速最大值發(fā)生在2005年9月，在圖3中亦可直觀看出，兩個(gè)站點(diǎn)之間9月份日最大值風(fēng)速也具有明顯的均一性。

圖2 k8103和洪家站2004-2017年7、8、9月日最大風(fēng)速關(guān)系圖Fig.2 Daily maximum wind speed relationship between k8103 and Hongjia station in July to September from 2004 to 2017

圖3 2005年9月洪家和k8103日風(fēng)速最大值Fig.3 Daily extreme value of wind speed in Hongjia and k8103 station in September 2005

由圖可知，兩個(gè)站點(diǎn)之間日最大風(fēng)速具有明顯的線性關(guān)系。

對(duì)2003-2017年之間，兩個(gè)站點(diǎn)的年風(fēng)速最大值進(jìn)行研究，如表3所示。

表3 洪家基準(zhǔn)站與k8103站點(diǎn)自2003年以來歷年最大風(fēng)速Table．3 Annual extreme wind speed of Hongjia and k8103 station since 2003

計(jì)算其相關(guān)系數(shù)：

其中cov（X，Y）為兩個(gè)站點(diǎn)自2003年以來歷年風(fēng)速最大值的的協(xié)方差，DX和DY分別為洪家站點(diǎn)和k8103站點(diǎn)自2003年以來歷年風(fēng)速最大值的方差。

將表中數(shù)值代入計(jì)算，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9233說明具有非常強(qiáng)的相關(guān)性。

2.2 極值風(fēng)速回歸分析及擬合方程修正

以k8103站點(diǎn)為例進(jìn)行說明。由于兩個(gè)站點(diǎn)采集到的風(fēng)速最大值具有極強(qiáng)相關(guān)性，因此可以對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并采用擬合方程推測(cè)k8103站點(diǎn)缺失年度的最大值風(fēng)速。

采用最小二乘法進(jìn)行擬合，則可得到回歸方程：

用F檢驗(yàn)對(duì)回歸方程做顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 回歸方程的方差分析表Table．4 Variance analysis table for regression equation

由表4可以看出，回歸方程的F值為75.17，遠(yuǎn)大于顯著性水平為0.01的拒絕域9.074，k8103站點(diǎn)的歷年風(fēng)速最大值與洪家站點(diǎn)的歷年風(fēng)速最大值具有明顯線性關(guān)系，回歸方程是適合的。

考慮到大值優(yōu)先及更大的可靠概率，對(duì)擬合曲線進(jìn)行修正（如圖4a所示的虛線），修正后的回歸方程為：

采用同樣的方法對(duì)其他站點(diǎn)最大風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和擬合，并修正，如圖4所示（圖中虛線為修正后的擬合曲線）。

圖4 地方站與洪家基本站觀測(cè)值相關(guān)性圖Fig．4 Correlation diagram between local station and Hongjia basic station

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

按照最小二乘法回歸分析得到公式并修正，得到方程（7），采用（7）式擬合k8103歷年風(fēng)速最大值，并與洪家基準(zhǔn)站觀測(cè)到的年風(fēng)速最大值進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖5可以看出，2003年前后期風(fēng)速最大值變化符合均一性原則。

圖5 回歸方程擬合的k8103歷年風(fēng)速最大值Fig.5 Wind speed maximum value fitted by regression equation of k8103 station

采用修正后的公式進(jìn)行計(jì)算，得到的50年一遇最大風(fēng)速值和基本風(fēng)壓值見表5。本文計(jì)算洪家站點(diǎn)的基本風(fēng)壓值與現(xiàn)行《規(guī)范》值相比略小，原因是近10年來臺(tái)州未正面遭遇臺(tái)風(fēng)登陸。而現(xiàn)行《規(guī)范》中基本風(fēng)壓計(jì)算所采用的資料為2008年之前的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

表5 基本風(fēng)壓計(jì)算值對(duì)比Table．5 Comparison of wind pressure basic values

3 結(jié)論

對(duì)于建站歷史短的氣象站，本文根據(jù)實(shí)際采集到的短期歷年風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)比建站歷史長(zhǎng)的國(guó)家級(jí)站點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用回歸分析的方法，插補(bǔ)了新建站點(diǎn)長(zhǎng)期的歷年風(fēng)速最大值，計(jì)算基本風(fēng)壓并進(jìn)行了對(duì)比。并得到以下結(jié)論：

（1）建站歷史較短的氣象站計(jì)算基本風(fēng)壓時(shí)，不能直接采用實(shí)際采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)，由于臺(tái)風(fēng)登陸的隨機(jī)性，觀測(cè)年份短的站點(diǎn)采集到的臺(tái)風(fēng)信息少甚至缺失，造成基本風(fēng)壓取值過小，以此為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算則會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全性。

（2）采用回歸分析的方法擬合歷史短的站點(diǎn)與參考站點(diǎn)的關(guān)系推出長(zhǎng)期風(fēng)速數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算該站點(diǎn)所在地的基本風(fēng)壓是可行的，前提條件是兩個(gè)站點(diǎn)之間必須有足夠強(qiáng)的相關(guān)性。

（3）采用最小二乘法得到的擬合公式是基于誤差平方和最小的原則，在計(jì)算50年一遇風(fēng)速最大值時(shí)，觀測(cè)值中較大的風(fēng)速貢獻(xiàn)率更高，因此應(yīng)該對(duì)擬合公式進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)先考慮大值的擬合度。

（4）由于浙東南沿海地區(qū)多山地丘陵和島嶼，地勢(shì)復(fù)雜，有些站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)家站或者觀測(cè)歷史久遠(yuǎn)的基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)之間都不存在明顯的相關(guān)性，則需要通過其他方法進(jìn)行分析，例如數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)等方法。