风力的等级划分与升降桅杆的抗风性能

风力的等级划分与升降桅杆的抗风性能

风力是指风吹到物体上所表现出的力量的大小。一般根据风吹到地面或水面的物体上所产生的各种现象，把风力的大小分为18个等级，最小是0级，最大为17级。

风速是风的前进速度。相邻两地间的气压差愈大，空气流动越快，风速越大，风的力量自然也就大。所以通常都是以风力来表示风的大小。风速的单位用每秒多少米或每小时多少公里来表示。而发布天气预报时，大都用的是风力等级。

风力等级对照表

注1：本表所列风速是指平地上离地10米处的风速值。

注2：超级台风（super typhoon）为美国对顶级强度台风的称谓。

升降桅杆

风速测量仪器种类

一 风杯风速计。它是最常见的一种风速计。 转杯式风速计最早由英国 J.T.R.鲁宾孙发明（1846），当时是四杯,后来改用三杯。三个互成120度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。

二 螺旋桨式风速计。它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计。螺旋桨装在一个风标的前部，使其旋转平面始终正对风的来向，它的转速正比于风速。

三 热线风速计。一根被电流加热的金属丝,流动的空气使它散热,利用散热速率和风速的平方根成线性关系,再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数）,即可制成热线风速计。热线风速计分旁热式和直热式两种。旁热式的热线一般为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时可以直接测定热线本身的温度。热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量。它的时间常数只有百分之几秒，是大气湍流和农业气象测量的重要工具。

四 声学风速计。在声波传播方向的风速分量将增加（或减低）声波传播速度，利用这种特性制作的声学风速计可用来测量风速分量。声学风速计至少有两对感应元件，每对包括发声器和接收器各一个。使两个发声器的声波传播方向相反，如果一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，则两个接收器收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比。如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就可以分别计算出水平风速、风向和铅直风速。由于超声波具有抗干扰、方向性好的优点，声学风速计发射的声波频率多在超声波段。

不同种类的风速计可以应用到不同的场合，目前用得比较多的是叶轮式风速计和热式风速计。

关于升降桅杆抗风性能的认识

桅杆抗风性能是桅杆类产品的重要技术指标之一。每个客户都想知道自己所用的桅杆在安装了负载物后，能够承受多大的风力，但目前，几乎没有人能准确回答这个问题。这是因为升降桅杆的抗风性能决定于以下三个因素：

A桅杆的材质和结构

B桅杆的使用高度

C负载物的重量、体积和外形

在上述三个条件都明确的情况下，要得出具体抗风性能的指数，可通过以下三种方式：

(1) 理论计算 即使用有限元分析等方法。

(2) 模拟实验 即将不同等级的风力折算成风压，再使用物理方法(拉力计)进行测试。

(3) 风洞实验 即将桅杆与负载物置于风洞中，模拟风速进行测试。

以上三种方法中，第三种方法可以提供较为接近实际的数值。但是，风洞实验的代价和条件要求非常高。例如，18米高带负载物的桅杆做风洞实验，有没有这么大的风洞?能否做?要花多少钱?都是个难题。所以，对于桅杆制造商来说，有关桅杆的抗风性能指标只能通过上述前两种方法来提供。

桅杆抗风性能的计算方法

(本计算方法是简单的理论计算公式，仅供参考。)

举个例子：

楼顶有一个有Φ50mm钢管制作的高度5米避雷针；靠4个M10的螺钉固定；在10级风下的风压和抗风强度计算如下：

首先：风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。

根据伯努利方程，风的动压为：wp=0.5·ro·v2

其中wp为风压[kN/m2]；ro为空气密度[kg/m3]；v为风速[m/s]

由于空气密度(ro)和重度(r)的关系为：r=ro·g；因此 ro=r/g；得：wp=0.5·r·v2/g；

在标准状态下, 空气密度r=0.01225 [kN/m3]；重力加速度g=9.8[m/s2],得：wp=v2/1600

将风速代入, 10 级大风相当于 24.5-28.4m/s, 取风速上限 28.4m/s, 得风压wp=0.51[kN/m2]

就是每平方米面积承受约51千克力。

对于此避雷针，其迎风面积等于0.25m2；它所承受的10级风下的压力为：12.75kN；力臂长度2.5m；

依据力学中的杠杆公式，此时固定螺钉所承受的力矩为：31.875kN.m；

假设螺钉长度为10厘米；则4个螺钉所承受的总拉力为318.75kN

查机械手册（也可参照GB/T 3098.13-1996)，M10螺丝的破坏扭矩是102KN，则其合力为408KN。

因为固定螺丝合力408KN大于318.75KN，所以，在10级风下这根避雷针不会被吹倒。

升降桅杆的抗风计算要复杂的多，因为这个基础上还要考虑升降桅杆本身的材质和结构、安装方式、使用高度、负载重量与形状等因素，还有客户使用环境的不同，各种气候条件实际参数的不同，得出的结果也不同。而各种气象参数采集的数据很难有准确的，所以对于升降桅杆生产商来说，生产的升降桅杆的技术性能参数一定要大于计算出来的理论技术参数。