戶外舞臺演藝LED屏等露天安裝設備設計中的風載荷計算

近來，偶有某地室外LED屏傾翻傷人事故、某地臨時搭建舞臺坍塌事故等發(fā)生，其原因復雜不能詳究，但有極大的可能性是與設備或裝置設計計算時風壓的取值偏低有直接關系。因此，分析現(xiàn)行風載荷標準GB50009-2012《建筑結構載荷規(guī)范》在本行業(yè)使用中存在的問題，針對關鍵環(huán)節(jié)做適當?shù)男拚?，解決原計算在本行業(yè)應用時存在的不足（建筑領域應用了許久，雖有個別改動，但因為有一套較為完備的計算系統(tǒng)，該標準仍在使用），是作為設計人員所面臨的任務。本文提出了對確定風速的關鍵因數(shù)時距的修正，進而對基本風壓值進行修正，希望能對風壓計算時基本風壓值明顯偏?。ㄅc國外相比）的問題有所改善。

近年來，上演實景演出的大型室外劇場發(fā)展迅速，如湖南的“中國出了個毛澤東”室外劇場、聞名全國的“印象”系列、很多旅游景點建設的依山傍水的親民劇場等。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國目前有大型實景室外劇場近百個。演唱會、大型活動的開閉幕式演出等大規(guī)模的戶外露天演出活動也頻繁舉行，設置與安裝多種多樣的臨時或永久的演出設備方興未艾。另外，中國大型游樂園（以上海迪斯尼樂園為代表）的建設已經開始，可以預計，在不久的將來會形成游樂園的建設高潮，數(shù)量眾多的露天移動或固定安裝的游樂設備是游樂園里最能吸引游客的亮點。這些公共場所群眾聚集的活動，除了在總體策劃上必須考慮的各種安全問題（風險分析、防范措施、應急預案、防火、防爆、防恐、疏散等），設備自身的安全也是必須考慮的重點。

露天安裝設備與室內設備的最大區(qū)別是設備必須承受風荷載，無論是正規(guī)安裝的，還是臨時搭建的、移動或固定的設備，其結構設計和安裝設計必須滿足安裝地域最大風速和風壓的要求，才能確保設備投入使用時在工作狀態(tài)風壓和非工作狀態(tài)風壓作用下的安全性能。近來媒體報道的某地LED屏倒塌傷人事故，也許與露天安裝設備設計時對風載荷的考慮不周有關。本文從風壓計算出發(fā)，探討并推薦露天安裝演藝、游樂設備設計中關于風速、風壓和風載荷的計算方法。

1 基本概念

1.1風壓

由于物體的阻擋，使物體四周的空氣流動受阻，物體正面氣流的動壓下降、靜壓升高，物體的側面和背面產生局部渦流，靜壓下降。和遠處的氣流相比，這種正面靜壓的升高和背面靜壓的降低統(tǒng)稱為風壓。風壓就是垂直于氣流方向的物體投影平面所受到的風的正壓力。

1.2風壓計算

根據(jù)流體運動的伯努利方程，可得出的風速和風壓的關系，風的動壓為：

1.3基本風壓

我國建筑設計標準規(guī)定的基本風壓p0（標準中使用的風壓用符號w0表示），是以空曠平坦地面、離地面10 m高度、風速時距為10 min的平均最大風速計算得出的風壓，建筑設計按結構類別考慮平均最大風速的重現(xiàn)期（一般結構重現(xiàn)期為30年，高層建筑和高聳結構為50年，特別重要的結構為100年），由此統(tǒng)計得出最大風速v。在室外演藝和游樂設備設計中，推薦采用重現(xiàn)期為50年的基本風壓進行結構、零件和穩(wěn)定性計算。

基本風壓因地而異，在中國的分布情況是：臺灣和海南島等沿海島嶼、東南沿海是最大風壓區(qū)，主要由臺風造成。東北、華北、西北的北部是風壓次大區(qū)，主要與強冷氣活動相聯(lián)系。青藏高原為風壓較大區(qū)，主要由海拔高度較高所造成。其他內陸地區(qū)風壓都較小。《建筑結構荷載規(guī)范》附錄D.4 中附表D.4 給出了國內各地區(qū)50 年一遇的基本風壓，露天安裝演藝和游樂設備設計時，可根據(jù)所在地域選取并按本文推薦系數(shù)轉換后采用。

1.4風載荷

風載荷（在建筑行業(yè)稱為風荷載）也稱風的動壓力，是空氣流動對建筑物的工程結構所產生的壓力。風載荷的大小與基本風壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，以及建筑體型等諸因素有關。

由于沒有專門針對設備結構計算使用的風載荷（設備專業(yè)把結構及零件所受的力統(tǒng)稱為載荷）研究成果，露天安裝演藝和游樂設備的風載荷計算推薦按照GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》的有關風載荷計算的程序和方法（其主要內容也是參照建筑行業(yè)的規(guī)定而來，只不過計算公式改換了形式、具體重要數(shù)值按機械行業(yè)需要進行調整）進行，但某些重要數(shù)據(jù)需按本文推薦的系數(shù)進行轉換。

1.5風速與時距

風速隨時間不斷變化（見圖1），在一定的時間間隔Δt內，風速可分解為兩部分：平均風速的穩(wěn)定部分和風速的脈動部分。為了對變化的風速確定其代表值作為基本風壓，一般用規(guī)定時距內風速的穩(wěn)定部分作為取值標準。

為確定最大平均風速而規(guī)定的時間間隔（圖1中的Δt）稱為時距。規(guī)定的時距愈小，所得的最大平均風速就愈大，計算所得基本風壓也愈大。時距過大會漏掉很多瞬時風速，使計算風壓值偏低，時距的選取對風壓值的計算結果影響很大。

1.6風力等級

風力是指風吹到物體上所表現(xiàn)出的力量的大小。英國人蒲福平（Beaufort scale）于1805年根據(jù)風對地面或海面物體的影響程度，擬定了風力等級，從0到12共13級。最小是0級，最大為12級。陸地上出現(xiàn)的風力一般多在0～9級之間，10～12級的風力陸上很少見，有則拔樹、摧毀建筑物，破壞力極大。19世紀末發(fā)明了風速儀，風力等級開始用風速精確的表達，20世紀50年代，風速儀測出的自然界風速遠遠超過12級，遂逐漸把風力等級擴展到17級，但是已經無法再用地面或海面情形具體加以描述了（見表1）。一般認為，風速超過61.2 m/s就屬于特大臺風，如有記錄的30多年前瓊海臺風，中心附近最大風力為73 m/s，已超過 17級的*高標準。國際航海界把特大臺風稱為風力18級。目前，風速儀測出的風速已經遠遠超過17級（如有些龍卷風的風速），達到100 m/s～200 m/s，其破壞力驚人。

2 關于時距取值

各國計算風載荷的出發(fā)點不同，確定風速時所采用的時距也不一致。例如，中國和日本取10 min，俄國取2 min，英國根據(jù)建筑物或構件的尺寸不同，分別取3 s、5 s和15 s，美國取3 s，為瞬時最大風速，即峰值脈動風速。 因此，各國基本風壓值的標準也有差別。

中國規(guī)范計算風載荷標準值的出發(fā)點是基本風壓，并在GB20009-2012《建筑結構載荷》中給出了全國各城市的風壓值（見該標準附錄E.5）和全國基本風壓分布圖（見該標準附錄E.6.3），供設計計算時選用。

在GB20009-2012《建筑結構載荷》中特別指出：“全國各城市的基本風壓值應按本規(guī)范附錄E中表E.5重現(xiàn)期R為50年的值采用。當城市或建設地點的基本風壓值在本規(guī)范表E.5沒有給出時，基本風壓值應按本規(guī)范附錄E規(guī)定的方法，根據(jù)基本風壓定義和當?shù)刈畲箫L速資料，通過統(tǒng)計分析確定，分析時應考慮樣本數(shù)量的影響。當?shù)貨]有風速資料時，可根據(jù)附近地區(qū)的基本風壓或長期資料，通過氣象和地形條件的對比分析確定；也可以比照本規(guī)范附錄E中附圖E.6.3全國風壓分布圖近似確定”。

中國的規(guī)范較為穩(wěn)定，從1987年版到2012年版，雖然在具體條文上和具體數(shù)據(jù)有局部調整（如對風載荷體型系數(shù)、山峰地形修正系數(shù)、風振系數(shù)計算方法等進行調整和補充），但是基本風壓的計算一直沿用了相同的計算方法。

美國和日本的規(guī)范計算風載荷標準值的出發(fā)點是基本風速，也給出了相應的基本風速區(qū)劃圖，供設計計算時選用。

美國的規(guī)范改動較為頻繁，與以前標準相比，近期（2005版）較大的改動是：對于基本風壓的確定由以往的最大里程風速值改為現(xiàn)在的3 s時距的平均值，即采用峰值脈動風速。并據(jù)此進行概率分析、確定風速標準值和其他相關參數(shù)，對颶風影響區(qū)的基本風速也做了相應調整。

中國、美國、日本三國對基本風速的確定方法，主要差別在于風速統(tǒng)計時距和重現(xiàn)期的取值（見表2）。顯然，由于風速統(tǒng)計時距和重現(xiàn)期的不同，美國、日本兩國規(guī)范所定義的基本風速大于中國，風壓值也大于中國。以上資料可以看出，時距對風速和風壓的影響是緊密和直接的。一般鋼結構設計時，安全系數(shù)都不會大于2，在時距10 min的平均風速和風壓下可能沒有問題，但是在瞬時風的作用下就可能出現(xiàn)破壞，因為此時風壓增大超過了2倍。我國風載荷的取值方法，恰恰忽略了瞬時風的巨大破壞作用。

3 露天安裝演藝和游樂設備風載荷計算

露天安裝演藝和游樂設備的風壓計算，推薦參照GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》的程序與方法進行。計算的原則是：假定風載荷是沿設備最不利的水平方向作用的靜力載荷。

3.1計算風壓

計算風壓與陣風風速有關，按下式計算：

式中：p——計算風壓（單位：N/㎡）；v——計算風速（單位：m/s）。

計算風速為空曠地區(qū)離地10m高度處的陣風風速，即3s時距的平均瞬時風速。工作狀態(tài)時取10min時距平均風速的1.5倍，非工作狀態(tài)時取10min時距平均風速的1.4倍。計算風壓p、3 s時距平均瞬時風速vs、10min時距平均風速vp與相當風力等級的對應關系見表3。

3.2露天安裝的演藝、游樂設備的風載荷

露天安裝的演藝、游樂設備的風載荷分為工作狀態(tài)風載荷和非工作狀態(tài)風載荷兩種情況。

3.2.1 工作狀態(tài)風載荷

工作狀態(tài)風載荷是指設備在工作狀態(tài)下能承受的最大風力或最大風壓，計算時將工作狀態(tài)風壓沿設備全高取為定值，不考慮高度變化對風壓值的影響。為限制工作風速不超過極限值所采用的風速測量裝置，通常安裝在設備的*高處。工作狀態(tài)的計算風壓是設備工作狀態(tài)時的最大風壓，用于阻力計算、電動機功率選擇、機構零部件和金屬結構的強度剛度計算、過載能力驗算、整機穩(wěn)定性和防滑驗算等。

工作狀態(tài)風載荷用下式計算：

式中：PWⅠ——工作狀態(tài)風載荷（單位：N）；C——風力系數(shù)；p1——工作狀態(tài)風壓（單位：N/㎡）；A——構件或設備垂直于風向的實體迎風面積（單位：㎡）；θ ——風向與構件縱軸線或構件表面的夾角（θ＜900）。

式中：A0——構件迎風面積的外形輪廓面積（單位：㎡）；φ——結構迎風面充實率。風力系數(shù)C直接采用 GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》中有關風力系數(shù)C的論述，見標準4.2.2.3.5風力系數(shù)。多片桁架結構風力系數(shù)計算中的擋風折減系數(shù)η 的計算，見標準4.2.2.3.6擋風折減系數(shù)。

露天安裝的演藝、游樂設備，安全工作的最大風力為5級，工作狀態(tài)的計算風速和計算風壓見表4。

3.2.2 非工作狀態(tài)風載荷

非工作狀態(tài)風載荷是指設備在非工作狀態(tài)下能承受的最大風力作用，即最大風壓。計算非工作狀態(tài)風載荷時，要計及設備受風部位離地高度的影響，用風壓高度變化系數(shù)對計算風壓進行修正。非工作狀態(tài)風載荷與設備自重載荷進行組合，用于驗算非工作狀態(tài)下設備零部件即金屬結構的強度、整機抗傾覆穩(wěn)定性和抗風錨定裝置的設計計算。

式中：PWⅡ——非工作狀態(tài)風載荷（單位：N）；C——風力系數(shù)；kh——風壓高度變化系數(shù)（見表5）；pⅡ——非工作狀態(tài)計算風壓（單位：N/㎡）；A——構件或設備垂直于風向的實體迎風面積（單位：㎡），計算方法同前。

風力系數(shù)C，直接采用GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》中有關風力系數(shù)C的論述，見標準4.2.2.3.5風力系數(shù)。多片桁架結構風力系數(shù)計算中的擋風折減系數(shù)η的計算，見標準4.2.2.3.6擋風折減系數(shù)。

計算非工作狀態(tài)載荷時，可沿高度將設備劃分為10m的等風壓段，以各段中點高度的高度影響變化系數(shù)kh（表5中所列數(shù)值）乘以計算風壓，也可取結構頂部的計算風壓作為設備全高的定值風壓。內陸華北、華中和華南地區(qū)取小值，西北、西南、東北和長江下游等地區(qū)取大值。沿海以上海為界，上?？扇?00N/㎡，上海以北取小值，上海以南取大值。在特定情況下，按用戶要求可根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料提供的離地10 m高處，50年一遇，10min時距，年平均最大風速，換算成3s時距的平均瞬時風速（一般不超過50 m/s）和計算風壓pⅡ。若用戶還要求此計算風速超過50m/s時，則應進行特殊設計。沿海地區(qū)、臺灣和南海諸島，用于抗風防滑裝置和錨定裝置設計時，所采用的計算風速不應小于55m/s，詳見表6。

4 露天安裝的演藝、游樂設備風載荷計算時的注意事項

風壓的大小與風速的大小有直接的關系，因為風速采用的是某一時段內的平均風速。與其他影響因素相比，時距的選擇對設計風速大小影響最直接、也最大。不同重現(xiàn)期對設計風速也有影響，但不如時距的影響大。由于時距的選取對風速、風壓的大小有直接影響，露天安裝演藝、游樂設備進行風載荷計算時，筆者推薦按以下基本條件與數(shù)據(jù)進行選?。?/span>

基本風速為空曠地區(qū)離地10 m高度處的、重現(xiàn)期為50年的最大陣風瞬時風速，即3 s時距的峰值脈動風速。

與（1）條件相同，當按10 min時距平均風速選取基本風速時，計算風速應為10 min時距平均風速的1.5倍。

當直接按GB20009-2012《建筑結構載荷》中給出了全國各城市的風壓值（附錄E.5）和全國基本風壓分布圖（F.6.3）選取風壓時，計算風壓為選取風壓的2.25倍。

露天安裝游樂和演藝設備允許的最大工作風級為5級，應按10min時距5級風速換算為3 s時距的峰值脈動風速計算風壓。參照起重機設計規(guī)范的規(guī)定：非工作狀態(tài)風速按10min時距當?shù)刈畲箫L速的1.4倍計取，即3s時距的峰值脈動風速。仍為空曠地區(qū)離地10m高度處的、重現(xiàn)期為50年的最大陣風瞬時風速。

非工作狀態(tài)的計算風壓， 直接引用GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》的數(shù)據(jù)表，按地區(qū)（內陸、沿海、臺灣及南海諸島）選取。

如此推薦的理由如下：

西方主要技術發(fā)達國家（如英國、美國）都采用3s時距，日本雖然采用10min時距，但是使用的重現(xiàn)期卻是100年。

我國起重機行業(yè)在進行風壓計算時，已經采用3s時距的瞬時風速，詳見GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》有關章節(jié)。

我國對外交往日益增多，引進和出口這類設備的機會大增，在了解和學習國外設計標準的同時，在風載荷計算領域必須采用最嚴格的參數(shù)，以應對世界各地尤其是沿海地區(qū)國家的嚴苛條件。

我國援外工程的多個領域（如港口建設），根據(jù)受援國關于時距的規(guī)定，已經不用10min時距，而采用2min時距，這是為了適應當事國的設計規(guī)范，說明我國當前設計規(guī)范規(guī)定的10min時距已經不能適應援外要求，今后類似的情況或更加苛刻的情況遇見的機會可能更多。演藝和游樂行業(yè)需提前改變，提前提出應對辦法。

為了方便設計人員查閱使用，現(xiàn)將現(xiàn)存的研究成果列出，供設計人員參照：

不同時距基本風速間的換算關系：V3S:V10min=1.45～1.50:1.0；

不同重現(xiàn)期（即概率保證期）基本風速間的換算關系：V100:V50=1.05:1.0；

不同時距風速與10min時距風速的比值見表7。

選自《演藝科技》2016年第4期段慧文《露天安裝設備設計中的風載荷計算——兼議風速時距取值》。

責編：小艷