臺風梅花影響下近地脈動風特性的研究

近海岸邊風特性實測研究據(jù)統(tǒng)計，世界每年的風災損失超過100億美元，其中50%以上的房屋受損。在估算風對結(jié)構(gòu)的作用力時,只有當風特性參數(shù)模型得到準確的定義,風荷載計算才有較高的精度本文對臺風“梅花”作用下上海浦東近海岸邊風特性進行了全程監(jiān)測記錄,分別獲得了10m、20m、30m及40m高度處的實測數(shù)據(jù)。通過對臺風過程中湍流度、陣風因子、峰值因子等參數(shù)的統(tǒng)計分析,可為今后結(jié)構(gòu)抗強風設(shè)計提供參考。1測量總結(jié)1.1中心風力企業(yè)更2011年7月28日14時,第9號熱帶風暴“梅花”在西北太平洋洋面上生成,中心位于北緯11.7°、東經(jīng)135.0°,中心附近最大風力8級,最低氣壓99.8kPa。隨后兩度升級為超強臺風,6日15時在東海海面減弱為臺風,7日21時減弱為強熱帶風暴,8日17時減弱為熱帶風暴。1.2風速采集設(shè)備格構(gòu)式測風塔全高40m,風速儀分別位于10m、20m、30m和40m高度處,每一高度處分別在東南和西北方向各安裝一只,測風塔實物及周邊環(huán)境見圖1所示。由于風速采集設(shè)備及安裝等詳細信息已在文獻[6]中給出,為節(jié)省篇幅,本文不再加以累述。經(jīng)驗證,同一高度處兩只風速儀實測數(shù)據(jù)吻合較好,因此后文只采用三維超聲風速儀實測數(shù)據(jù)進行分析,其他類型風速儀所記錄數(shù)據(jù)只作相應的補充與校對。2風場特征的研究2.1階躍函數(shù),積極主動三維超聲風速儀可直接同步測量三個正交方向上的分量,記為u式中:step(·)表示階躍函數(shù)。縱向脈動風速u(t)、橫向脈動風速v(t)及豎向脈動風速w(t)的計算公式為:2.2流度湍流強度是衡量湍流強弱的相對指標,定義為:式中:σ2.3矩陣矩陣因素陣風因子表示平均時距內(nèi)最大陣風風速與相應平均風速的比值,計算公式為:式中:2.4峰因子和陣風因子相似,峰值因子也用以表征脈動風的瞬時強度,表達式為:式中:3測量數(shù)據(jù)分析3.1平均風速和風速按照我國規(guī)范3.2平均風速和平均湍流強度圖3給出了不同實測高度得到的各向湍流度隨平均風速的變化關(guān)系。圖中顯示,各向湍流度隨實測高度的增大而減小,而相同高度處各向湍流度隨平均風速的變化趨勢基本一致?？傮w上湍流強度隨平均風速的增大而減小,當平均風速小于10m/s時,湍流強度隨平均風速減小的趨勢較為明顯,但當平均風速大于10m/s后,各向湍流度隨平均風速增大而減小的趨勢不明顯。表2分別給出了10m、20m和40m高度處各向湍流度之間的比值和國內(nèi)外已有的實測研究結(jié)果。本文試驗中不同高度處橫向與縱向湍流度的比值在0.7附近,與Solari&Piccardo3.3陣風因子與平均風速的關(guān)系圖4反映了當陣風持續(xù)時距為3s時,縱向、橫向及豎向陣風因子隨10min平均風速的變化關(guān)系?？梢悦黠@看到,各向陣風因子隨平均風速的增大而減小。平均風速小于12m/s時,變化減小速率較快;而平均風速大于12m/s時,減小趨勢不甚明顯。另外,為分析陣風因子隨觀測高度的變化關(guān)系,在表3中分別給出了不同高度處各向陣風因子的算數(shù)平均值。從表中可見,各向陣風因子均隨高度的增大而減小。3.4陣風因子與相應湍流度的關(guān)系利用統(tǒng)計方法建立湍流度和陣風因子之間的函數(shù)關(guān)系一直是風工程領(lǐng)域所關(guān)注的問題。很多學者均對此進行過研究,總結(jié)得到了函數(shù)的一般表達形式:式中:T為平均風時距;t為陣風持續(xù)時距;a、b為待定參數(shù)。Ishizaki除縱向外,對橫向和豎向陣風因子與相應湍流度之間的關(guān)系也進行了研究,在這方面國內(nèi)外的研究成果還相對缺乏。圖6表現(xiàn)了橫向陣風因子與相應湍流度之間的變化關(guān)系。和縱向相同,橫向陣風因子會隨相應湍流度的增大而增大,較低高度處不同風向區(qū)間內(nèi)橫向陣風因子與相應湍流度之間同樣呈現(xiàn)出明顯不同的變化規(guī)律。圖中明顯可見,20m高度處陣風因子與湍流度表現(xiàn)為非線性關(guān)系,因此對其進行了形如G圖7顯示了豎向陣風因子與相應湍流度之間的變化關(guān)系。由于受地表的影響較大,10m高度處湍流度隨陣風因子的變化規(guī)律不明顯。在陣風因子小于0.1的時段,20m高度處湍流度隨陣風因子的增大而減小;但在陣風因子大于0.1的時段,湍流度隨陣風因子的增大而增大,并且兩者表現(xiàn)為一定的線性關(guān)系。在40m高度處,湍流度基本上不隨陣風因子變化,湍流度均值約為0.074。3.5平均風速、陣風時距圖8表示不同高度處陣風持續(xù)時距為3s時,峰值因子隨10min平均風速的變化情況?？梢钥闯?各高度處峰值因子隨平均風速的變化不明顯。10m、20m和40m高度的各時段峰值因子的均值分別為2.21、2.12和2.00。已有研究表明,當陣風持續(xù)時距取值不同時,相應的峰值因子也會變化。1960年,Durst4陣風因子與湍流度的關(guān)系利用風速儀對臺風“梅花”作用下上海浦東近海岸邊風速、風向等信息進行了全程監(jiān)測記錄。通過對臺風過程中湍流度、陣風因子、峰值因子等參數(shù)的統(tǒng)計分析,主要結(jié)論如下:(1)各向湍流度隨實測高度的增大而減小,但相同高度處各向湍流度隨平均風速的變化趨勢基本一致。在風速小于10m/s時,湍流強度隨平均風速減小的趨勢較為明顯,但當平均風速大于10m/s后,各向湍流度隨平均風速增大而減小的趨勢不明顯。(2)各向陣風因子隨平均風速的增大而減小。平均風速小于12m/s時,變化減小速率較快;而平均風速大于12m/s時,減小趨勢不甚明顯。此外,各向陣風因子均隨高度的增大而減小。(3)基于實測數(shù)據(jù)研究了縱向陣風因子與湍流度之間的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)Ishizaki建議的經(jīng)驗計算結(jié)果均較本實測結(jié)果偏大,而Choi經(jīng)驗計算結(jié)果與本實測結(jié)果相對符合較好。基于式(10)對縱向陣風因子與湍流度的關(guān)系進行了擬合,并給出了最佳的擬合參數(shù)。另外,對橫向和豎向陣風因子與相應湍流度之間的關(guān)系也進行了研究,并對相關(guān)結(jié)果進行了回歸分析。(4)各高度3s陣風持續(xù)時距下,峰值因子隨