屋面避雷针风压与风速关系的认识

２００８年第１期　福　建　气　象　２００８，Ｎｏ．１　２００８年２月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＦＵＪＩＡＮ　ＭＥＴＥＯＲ０Ｌ０ＣＹ　Ｆｅｂ．２ｏｏ８　屋面避雷针风压与风速关系的认识　江一涛　李公森　（１．福建省宁德市气象局，宁德３５２１００；２．福建省防雷中心，福州　３５０００１）　１　引言　在建筑物的屋面上装设避雷针是种较为常见的防雷措施。比如在一些避雷带无法安装或不方便安装的　地方装设的避雷短针，或者为了建筑物的美观而装设的装饰针，由于它们往往都处于建筑物的最高点，所以　它们所承受的风压也是最大的。《建筑物防雷设计规范｝ＧＢ５００５７—９４（２０００年版）中对于屋面避雷针允许的风　压提出了一些具体的要求，但是对于风压与风速的对应关系没有给出一个解释，这给一些必需考虑可能受到　较大风力影响的地方在设计避雷针时带来了一定的困扰，本文就该问题做了一个简单的计算，供参考。　２风速与风压的关系　众所周知，风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。风速：是指单位时间内空气移动的水　平速度。　通过伯努利方程我们可以了解到它们之间的关系，伯努利方程的表达式［１］如下：　Ｐ１＋ｐＶ１／２＋ｐｇｙｌ－＿ｐ２＋ｐＶＪ２＋ｐｇｙ２　（１）　式中Ｐ、ｐＶ－／２和ｐｇ）ｒ分别表示流体的压力能、动　麈面遂蓄针　能和势能。由于伯努利方程只适用于理想流体的稳定　流动，我们假设有一屋面避雷针受到某一方向的稳定　流速的风的作用力，风从位置１吹向位置２（２１１１Ｊ为避　ｌ　雷针位置），如图１所示。　由于该处势能没有变化，位置１风的压力能为０，　位置２风速为０．所以公式可以化为：　，　Ｐ２＝ｐＶ　／２　（２）　式中Ｐ为风压、ｐ为空气的密度、Ｖ为风速［ｍ／ｓ］。　在一个标准大气压下，地面处空气密度ｐ＝１．２９３；代　入（２）式得：　２　Ｐ２＝Ｖ１。Ｏ．６５　将其换算为牛顿单位．可得　２　Ｐ２＝Ｖ１／１　５３８　（４）　图１避雷针位置示意图　３　ＧＢ５００５７—９４对避雷针抗风压的要求与风速的对应关系　ＧＢ５００５７—９４条文说明第４．１．１条Ｉ２＿：在同样的风压和长度下，本条采用的钢管所产生的挠度比圆钢　１期　江一涛等：对于屋面避雷针风压与风速关系的认识　５７　的小。经计算，如果允许挠度采用　，则各尺寸的允许风压可达表ｌ所示的数值。　表１　避雷针允许的风压（ＫＮ／ｍ　）　根据表１结合式（４）式，可以得出相对应的风速关系，如表２。　表２避雷针允许的风压与风速　风速的分级则可参看中国气象局编写的《地面气象观测规范》附录３风力等级表［３ｊ，节录于表３。　表３风力等级表　由表２、表３相对应，可以看出规范ＧＢ５００５７—９４考虑屋面避雷针的适应范围大部分是在１２级风以下，　而对于１２级风以上的情况考虑的比较少。如规范第４．１．１条中规定：避雷针的针长在ｌｍ一２ｍ的圆钢直径应≥　ｄ￣１６ｍｍ，烟囱顶上的针如采用圆钢直径≥￣ｂ２０ｍｍ１］ｌｌ可。参看以上表格就可以看出屋面上的２ｍ长ｑｂｌ６１￣钢　避雷针不一定适用于１２级以上风，２ｍ长的６２ｏ圆钢避雷针不适用于１５级以上风，而且随着时代的进步，高　层建筑逐渐增多，如果我们只考虑平地ｌＯｍ高处的平均风速也是远远不够的。于２００６年６月１５日起正式实　施的国家标准（ＧＢ／Ｔ　１９２０１—２００６）亦增加了“强台风”和“超强台风”两个等级，这个标准中对一些风　速的描述也要大于规范ＧＢ５００５７—９４对屋面避雷短针的要求。如表４。　５８　福　建　气　象　表４热带气旋等级划分表　从表４中可以看出，２ｍ长的　１６ｍｍ圆钢避雷针在台风、强台风、超强台风的情况下不适用，２ｍ长的　ｑｂ２０ｍｍ［］４；：￣避雷针在强台风和超强台风的情况下不适用。　在标准图籍《建筑物防雷设施安装》９９（０３）Ｄ５０１一ｌ中，对于ＣＨ系列环形钢管杆独立避雷针、ＺＧ系　列钢筋混凝土环形避雷针提出的也是基本风压的要求，如果我们能够将其换算为风速来进行计算，并适当　结合当地的气象条件，就能够进行比较有针对性的设计。　４结论　综上所述，我们可以看出防雷设计，尤其是那些在沿海或高山等容易遭受大风及台风袭击的县、市的　防雷，在参照规范进行避雷针的设计时，应该认真分析该地的气象和环境条件，因地制宜地进行设计工　作，这样才可以在领会规范精神的同时灵活运用它。　参考文献　［１］江苏省师专物理教材编写组．《力学》。南京：南京工学院出版社，１９８７，５５７．　［２］中华人民共和国机械工业部．《建筑物防雷设计规范》．北京：中国计划出版社，２００１，１２３．　［３］中国气象局．《地面气象观测规范》．北京：气象出版社．２００３，１３１—１３２．　（上接封三）　残存在树上的黄花梨。在这里，你能感受到他们丰收时的喜悦，今年的收成定是不错了，房东家的二十亩　地估计能收个七八万元呢，孩子的学费不愁了，今年得把那新楼装修好，春节就能搬新家了，房东大娘朴　实的脸上笑开了一朵花。而我望着满园浓浓的绿意，想像着春天来时桃花红梨花白，蝶舞蜂飞的情景，竞　如陶渊明般的感觉，恍若隔世。而随之而来的却是无尽的伤感，也许真不该在这样的地方修建一个水泥　厂，但我们所能做的仅仅是出具一个报告，给出一个结果，这个地方是否有利于污染物的扩散，仅此而　已。科学是严谨的，没有浪漫，但科学的报告也许能保护那一份浪漫，我祈祷着！这也促进着我，一个正　求索在气象科学之路的平凡的气象科技工作者，始终要坚守着一份良知与职业道德，认认真真、踏踏实实　地做好手中的每一份工作，哪怕仅是一个小小的数据，也不要轻易忽视它，你所做的是一个平凡而又伟大　的事业，你所做的每一项工作都是在即将出具的每一份报告上不可或缺的一部分，你的细心与责任能让每　一份所出具的报告真实、客观，从而让更多的地方保留了它的美丽！