基于性能設(shè)計(jì)的陣風(fēng)因子確定方法

考慮結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)與平均風(fēng)速時(shí)距模型的陣風(fēng)模型基于極值風(fēng)速的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)服務(wù)期間抗風(fēng)安全的重要保證。陣風(fēng)因子是預(yù)測(cè)參考時(shí)間尺度內(nèi)極值風(fēng)速的主要參量,定義為時(shí)間尺度T內(nèi)持時(shí)τ的最大陣風(fēng)與平均風(fēng)速的比值。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的陣風(fēng)因子均是定義為3s陣風(fēng)風(fēng)速(澳大利亞規(guī)范現(xiàn)采用0.2s陣風(fēng))與10min或1h平均風(fēng)速的比值陣風(fēng)因子的取值除了受陣風(fēng)持時(shí)τ以及參考時(shí)距T的影響外,還與下墊面粗糙度程度、離地高度、大氣層結(jié)穩(wěn)定度以及天氣系統(tǒng)類型等有密切關(guān)系本文將通過(guò)引入滑動(dòng)平均濾波器與氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)等效的方法建立考慮結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)與平均風(fēng)速的陣風(fēng)時(shí)距確定模型;并利用近年來(lái)影響中國(guó)沿海的幾次典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程中獲取的風(fēng)速記錄得到中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》定義的A類和B類場(chǎng)地類別臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的陣風(fēng)因子曲線,從而建立完整的陣風(fēng)因子確定方法,以期為臺(tái)風(fēng)影響區(qū)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒參考。1考慮到結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的矩陣運(yùn)行時(shí)間分析1.1脈動(dòng)風(fēng)速模型大氣邊界層風(fēng)可看成許多大小不同尺度的漩渦疊加而成,當(dāng)漩渦尺度較大時(shí),同一漩渦內(nèi)結(jié)構(gòu)物表面各點(diǎn)風(fēng)荷載具有較好的同步性從而易引起極值荷載時(shí)間尺度T內(nèi)持時(shí)τ的陣風(fēng)因子可表示為式中g(shù)(τ,T)和σ(τ,T)分別為時(shí)間尺度T內(nèi)持時(shí)τ的脈動(dòng)風(fēng)速的峰值因子和標(biāo)準(zhǔn)差;TI基于Davenport式中λ為風(fēng)速儀的距離常數(shù)。式(1)中σ可以看到,在上述陣風(fēng)因子計(jì)算模型中,參考時(shí)距T和陣風(fēng)持時(shí)τ對(duì)陣風(fēng)因子的影響是通過(guò)滑動(dòng)平均濾波器χ式中B為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度;H為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面高度;Coh(n,r)為脈動(dòng)風(fēng)速相干函數(shù),定義為式中為便于工程借鑒,在本文的分析過(guò)程中主要考慮水平方向相關(guān),式(5)則簡(jiǎn)化為氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)在頻域內(nèi)描述了結(jié)構(gòu)物表面風(fēng)荷載的空間相關(guān)性對(duì)結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載的影響,與式(3)所表示的濾波器函數(shù)具有相似的物理意義,因此可以通過(guò)構(gòu)造具有相同濾波效果的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)(7)對(duì)濾波器函數(shù)(3)進(jìn)行替換1.2等式矩陣執(zhí)行模型1.2.1彈簧導(dǎo)率的介紹氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)可直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到,亦可通過(guò)公式(7)經(jīng)相干函數(shù)積分計(jì)算,本文所分析的幾種氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)為:(1)vicker模型v65Vickery式中A為平板面積;U為平均風(fēng)速。(2)新沙龍模型n73脈動(dòng)風(fēng)壓相干函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為式中ρ為空間兩點(diǎn)距離;K為衰減系數(shù),根據(jù)Lawson(3)daven模型d66Davenport式中C當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向和水平向尺寸均較大時(shí),需同時(shí)考慮兩個(gè)方向的相關(guān)性,可采用下式計(jì)算(4)丘努模型v67Shiotani式中L(5)krenk式中氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)為了解決相干函數(shù)在垂直于平均風(fēng)速的平面上積分不為零以及當(dāng)頻率取零時(shí)空間兩點(diǎn)相干函數(shù)恒等于1的問(wèn)題,Krenk式中根據(jù)上述5種不同模型可以分別得到在不同平均風(fēng)速和結(jié)構(gòu)物寬度時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù),為直觀說(shuō)明,在圖1中給出了結(jié)構(gòu)寬度B=20m,平均風(fēng)速U=10m/s時(shí)5種氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)的對(duì)比圖作為示意?？梢钥吹?S67模型確定的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)與頻率項(xiàng)無(wú)關(guān)。1.2.2氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)陣風(fēng)時(shí)距本文在進(jìn)行等效陣風(fēng)持時(shí)計(jì)算時(shí),采用滑動(dòng)平均濾波器χ另外,由于S67模型和K96模型無(wú)法得到等效陣風(fēng)時(shí)距的顯式表達(dá),本文采用數(shù)值計(jì)算并擬合的方法進(jìn)行確定。經(jīng)過(guò)上述方法的計(jì)算和擬合,分別得到5種氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)時(shí)距系數(shù),匯總于表1。其中陣風(fēng)持時(shí)與結(jié)構(gòu)寬度以及平均風(fēng)速的關(guān)系采用下式進(jìn)行表達(dá)式中K為待定系數(shù)。由表1可見(jiàn)V65模型計(jì)算得陣風(fēng)持時(shí)系數(shù)最大,而由N73模型計(jì)算得陣風(fēng)持時(shí)系數(shù)最小,其他3種陣風(fēng)時(shí)距系數(shù)均比較接近。在本文選用上述5種模型的平均值作為等效陣風(fēng)持時(shí)系數(shù),于是得上述5種氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)所對(duì)應(yīng)的等效陣風(fēng)持時(shí)曲線以及式(17)繪于圖2。由等效陣風(fēng)時(shí)距公式(17)可得,在平均風(fēng)速U相同的情況下,結(jié)構(gòu)尺寸B越大,將其完全包裹所需要的漩渦尺度也就越大,因此需要的陣風(fēng)持時(shí)τ越長(zhǎng)。2根據(jù)近地測(cè)量的臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速因子2.1觀測(cè)地點(diǎn)及樣本選取為了得到能夠反映中國(guó)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)的陣風(fēng)因子曲線供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考,本文選取了2006年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)珍珠(Chanchu)、2008年第12號(hào)臺(tái)風(fēng)鸚鵡(Nuri)以及第14號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比(Hagupit)三次臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。臺(tái)風(fēng)珍珠的觀測(cè)地點(diǎn)為紅海灣觀測(cè)站(RBT,經(jīng)緯度分別為115.5734E,22.7337N);臺(tái)風(fēng)鸚鵡的觀測(cè)地點(diǎn)包括三角島測(cè)風(fēng)塔(DIT,經(jīng)緯度113.7096E,22.1413N)以及香港天文臺(tái)(HKO)在香港機(jī)場(chǎng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);臺(tái)風(fēng)黑格比的觀測(cè)地點(diǎn)為吳陽(yáng)鎮(zhèn)沙角旋海邊測(cè)風(fēng)塔(ST,經(jīng)緯度110.6541E,21.2538N)。各測(cè)站使用的風(fēng)速儀類型以及安置高度等具體信息如表2所示。本文選取的樣本10min平均風(fēng)速除香港機(jī)場(chǎng)觀測(cè)站為大于10.8m/s外,其余觀測(cè)站均大于17.2m/s,以滿足中性層結(jié)假定。為了避免非平穩(wěn)性的影響,對(duì)各樣本進(jìn)行去除趨勢(shì)項(xiàng)處理并使用逆序法和輪次檢驗(yàn)法進(jìn)行非平穩(wěn)性檢驗(yàn),僅選取同時(shí)滿足以上兩種檢驗(yàn)方法的平穩(wěn)樣本用于后續(xù)分析。所選樣本的基本信息如表2所示。2.2粗糙度長(zhǎng)度模型粗糙度長(zhǎng)度表征了下墊面與大氣邊界層間的相互作用。陣風(fēng)因子的大小受下墊面粗糙度、平均風(fēng)速、離地高度、大氣穩(wěn)定度以及天氣系統(tǒng)等多種因素的影響,其中對(duì)下墊面粗糙度極為敏感,本文將按粗糙度長(zhǎng)度對(duì)樣本進(jìn)行分類。由于下墊面為水面時(shí)粗糙度長(zhǎng)度受到平均風(fēng)速的影響,在本文采用使用修正的Charnock模型式中δ和γ為待定參數(shù),參照文獻(xiàn)[21]取δ=1.0,γ=0.6。當(dāng)下墊面為陸地時(shí),粗糙度長(zhǎng)度采用湍流強(qiáng)度法計(jì)算式中κ=0.4為vonKarman常數(shù);TI按上述方法完成下墊面粗糙度長(zhǎng)度計(jì)算后參照美國(guó)荷載規(guī)范ASCE-7-10標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣本進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分,得到相當(dāng)于中國(guó)A類場(chǎng)地(對(duì)應(yīng)ASCE-7-10中D類)樣本243個(gè),B類場(chǎng)地(對(duì)應(yīng)ASCE-7-10中C類)樣本118個(gè),C類場(chǎng)地(對(duì)應(yīng)ASCE-7-10中B類)樣本3個(gè),具體信息如表3所示。2.3相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)性因子基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)滑動(dòng)平均的方法計(jì)算了樣本數(shù)量較多的A類和B類兩類場(chǎng)地下各樣本在陣風(fēng)持時(shí)從1s到600s的陣風(fēng)因子,并采用分位數(shù)統(tǒng)計(jì)法得到對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)因子曲線;由于C類場(chǎng)地樣本數(shù)量過(guò)少,所以在本文將不展開(kāi)分析。計(jì)算得到中國(guó)規(guī)范A類和B類場(chǎng)地的陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)特征曲線(包括上四分位數(shù)、中位數(shù)和下四分位數(shù)曲線)分別如圖3(a)和(b)所示。其中中位數(shù)反應(yīng)了樣本陣風(fēng)因子的平均水平,而上下四分位數(shù)則反應(yīng)了樣本偏離平均水平的程度。至此,本文建立了完整的臺(tái)風(fēng)影響區(qū)陣風(fēng)因子確定模型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)結(jié)構(gòu)特征尺度和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速依據(jù)等效陣風(fēng)持時(shí)公式(17)確定相應(yīng)的陣風(fēng)持時(shí),然后基于不同陣風(fēng)持時(shí)陣風(fēng)因子圖(圖3)確定對(duì)應(yīng)場(chǎng)地類別下的陣風(fēng)因子取值。使用本文模型建立的陣風(fēng)因子充分考慮了風(fēng)荷載的空間相關(guān)性對(duì)不同尺度結(jié)構(gòu)的作用,比固定持時(shí)陣風(fēng)因子更符合實(shí)際。3陣風(fēng)時(shí)距和陣風(fēng)因子本文在極值理論建立的陣風(fēng)因子基礎(chǔ)上,通過(guò)引入滑動(dòng)平均濾波器與氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)等效的方法建立了考慮結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的等效陣風(fēng)持時(shí)確定方法,并利用影響中國(guó)的三次臺(tái)風(fēng)過(guò)程近地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了兩類不同場(chǎng)地下的陣風(fēng)因子曲線,得到以下主要結(jié)論:(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定陣風(fēng)持時(shí)時(shí),應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)和平均風(fēng)速的影響。(2)利用五種氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)計(jì)算結(jié)果的平均值等效得陣風(fēng)時(shí)距為結(jié)構(gòu)物寬度與平均風(fēng)速比值的1.33倍。陣風(fēng)因子隨著場(chǎng)地粗糙度增加顯著增大;隨著陣風(fēng)時(shí)距的減小,兩類場(chǎng)地的陣風(fēng)因子均不斷增大,而且場(chǎng)地越粗糙增大越快。(3)實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子大于規(guī)范給出相應(yīng)場(chǎng)地類別推薦值。式中式中u對(duì)比圖3(a)和(b)可見(jiàn),陣風(fēng)因子對(duì)下墊面粗糙度類別比較敏感,場(chǎng)地越粗糙,陣風(fēng)因子值越大;隨著陣風(fēng)時(shí)距的減小,兩類場(chǎng)地