土木工程相關(guān)之近地臺風(fēng)性能觀測分析

1、土木工程相關(guān)之近地臺風(fēng)性能觀測分析文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 第1章緒論1.1課題背景臺風(fēng)是發(fā)源于緯度5-200之間熱帶海洋上的具有巨大破壞性的一種天氣系統(tǒng)，是強(qiáng)災(zāi)害性天氣之一。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風(fēng)次數(shù)最多、強(qiáng)度最大的一個海區(qū)，平均每年有28個臺風(fēng)生成，約占全球臺風(fēng)總數(shù)的1/3。影響我國的熱帶氣旋都發(fā)生在西北太平洋的熱帶洋面上(包括中國南海)，在離開源地后向偏北、西北、偏西或東北方向移動，并逐漸加強(qiáng)，其中大部分可達(dá)到臺風(fēng)的強(qiáng)度，因此，我國極易遭受臺風(fēng)的襲擊，是世界上少數(shù)遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，在我國登陸的臺風(fēng)大約占整個西北太平洋臺風(fēng)總

2、數(shù)的35%，平均每年有7-8個臺風(fēng)正面登陸我國沿海，影響范圍包括東南沿海各省份，有時候甚至深入內(nèi)陸 1500km2。1.2本課題研究的目的及意義風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)的一種典型的動力荷載，其對建筑結(jié)構(gòu)物的作用效果是由風(fēng)特性決定的。與建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載直接相關(guān)的風(fēng)特性主要有:平均風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、峰值因子、湍流積分長度和脈動風(fēng)速譜等3。這些風(fēng)特性是由大氣運動中動量、熱量、水分等的輸送與平衡以及邊界層的摩擦等因素所決定的4。不同尺度、不同類型的天氣過程，它的驅(qū)動因素和運動特征是不一樣的5?，F(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載的平均風(fēng)和脈動風(fēng)特性大部分是根據(jù)季候風(fēng)的研究結(jié)果得到的，由于在季候風(fēng)中，大氣運動

3、中動量、熱量、水分等的運輸與平衡與臺風(fēng)有顯著的差別，所以季候風(fēng)特性與臺風(fēng)的風(fēng)特性有顯著的差別險。隨著我國經(jīng)濟(jì)日新月異的發(fā)展，在越來越多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)建起了許多超高層建筑，例如上海的金茂大廈、深圳的地王大廈等。這些超高層建筑大部分由輕質(zhì)高強(qiáng)的材料所組成，這就導(dǎo)致現(xiàn)在的這些建筑比過去的建筑更柔、更輕、阻尼更小，從而對強(qiáng)風(fēng)作用下的動荷載反應(yīng)也越來越敏感，因此對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提出了更高的要求。即在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)對結(jié)構(gòu)在使用階段可能遇到的風(fēng)荷載情況以及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)做出更準(zhǔn)確的估算和采取更有效的措施。與季候風(fēng)相比臺風(fēng)特性不同，所以臺風(fēng)作用在建筑結(jié)構(gòu)上引起的作用效果也會有所不同。對臺風(fēng)湍流特性與結(jié)構(gòu)響

4、應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行理論分析，能夠使我們更加清楚地認(rèn)識到臺風(fēng)特性對建筑結(jié)構(gòu)特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的影響，同時也為這些建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計和風(fēng)致振動估計提供依據(jù)和參考。1.3風(fēng)特性觀測國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1940年，當(dāng)時規(guī)模居世界第三的塔科馬大橋，在只有19m/s的風(fēng)速下，橋析發(fā)生了塌落，這一事件震驚了土木工程界，也拉開了風(fēng)工程研究的序幕，自此之后，各國學(xué)者紛紛加入到風(fēng)工程研究的行列中來，并且取得了一些成績9。風(fēng)特性資料的獲取是風(fēng)工程研究的基礎(chǔ)工作，基于實測資料的分析才具有實際意義。風(fēng)特性資料的獲取主要的途徑就是進(jìn)行風(fēng)場的現(xiàn)場觀測，為此，國內(nèi)外的學(xué)者做了大量的工作。1.3.1國外研究發(fā)展?fàn)顩rdvane

5、port對于風(fēng)工程的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，他通過對世界上不同地點、不同高度測得的90多次強(qiáng)風(fēng)記錄進(jìn)行統(tǒng)計分析，認(rèn)為水平脈動風(fēng)速譜中，湍流尺度沿高度是不變的，并提出了著名的dvaneport譜，并為多個國家的抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范所應(yīng)用。他還提出了梯度風(fēng)高度指數(shù)律模型和地面粗糙度等概念，描述了3種不同的地形類別，為風(fēng)工程的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。harrsi在位于水平地形、并且有較少的障礙物的rugby通訊站進(jìn)行4個不同高度的測量。 devaes和harris在cadringtno進(jìn)行了觀測，提供了關(guān)于風(fēng)剖面、風(fēng)速譜和湍流強(qiáng)度隨著高度和積分尺度變化而變化的相關(guān)結(jié)論，他們的研究表明，積分尺度是地形粗糙度的函數(shù)

6、。duchnee maurallz在nnaets地區(qū)進(jìn)行了一系列的研究，他安放了3個相互獨立的桅桿，在每個桅桿上，分別在10m、20m、40m和60m的高度上安裝了風(fēng)速儀l4。針對2次大風(fēng)的測量結(jié)果，他們計算了陣風(fēng)因子、湍流積分長度、脈動風(fēng)速譜、摩擦速度和地面粗糙度高度等指標(biāo)。結(jié)果表明，風(fēng)速剖面的范圍在0.3-0.36之間，地面粗糙度高度在1.2m到1.65m之間，摩擦速度在1.6m/s到2.2m/s之間，湍流強(qiáng)度的隨著高度的增加而減小，從 10m高度時的0.3減小到60m高度時的0.2，湍流積分長度隨著高度也有一定規(guī)律的變化，他們所得到的結(jié)果和harris所得到的結(jié)果有相似的規(guī)律，但是，當(dāng)把

7、風(fēng)速剖面0.3-0.36考慮在內(nèi)時，在60m高度得出的積分尺度是190m而不是300m，風(fēng)速譜和dvaneport提出的風(fēng)速譜有相同的形式。mackey在香港的d augalir也做了大量的強(qiáng)風(fēng)特性觀測工作，在香港東南方向頂端的海灘上有一個10層樓高的實驗場所，他在高度分別為13m、28m、43m、和61m 的位置安裝了風(fēng)速儀。machye和choi報告了在5個臺風(fēng)期間測得的結(jié)果，在風(fēng)速從10m/s到40m/s變化時，平均風(fēng)剖面的值保持在0.19，然而對于陣風(fēng)剖面，發(fā)現(xiàn)存在時間延遲。同時還繪制了在臺風(fēng)風(fēng)速最大情況下垂直風(fēng)剖面，擬合風(fēng)剖面瞬間值表明是不斷變化的(從0.08變化到0.4)。盡管分析

8、自相關(guān)函數(shù)存在問題，但是湍流積分長度還是和rugby的測量結(jié)果比較吻合。第2章臺風(fēng)特性觀測2.1引言臺風(fēng)是強(qiáng)災(zāi)害性氣候之一，常常會給人民生產(chǎn)生活帶來巨大的損失。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風(fēng)次數(shù)最多、強(qiáng)度最大的一個海區(qū)，由于臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)及其所處的環(huán)境流場決定了西北太平洋臺風(fēng)具有向西北方向移動的特性，所以我國是世界上少數(shù)的遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。近年來，隨著科學(xué)的進(jìn)步、文明的發(fā)展，我國各種超高層、超大跨度建筑逐年增多，這些結(jié)構(gòu)變得更輕更柔，使得風(fēng)荷載成為其主要的側(cè)向荷載，從而對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提出了更高的要求，風(fēng)特性特別是臺風(fēng)特性的研究也越來越受到工程界的重視。對臺風(fēng)特性現(xiàn)場實測是研究臺風(fēng)特性的基礎(chǔ)工作，是獲取臺風(fēng)特性資料的基本手段。本章將介紹作者所完成的兩項實測工作，分別是2005年8月13日對第10號臺風(fēng)“snavu”進(jìn)行現(xiàn)場觀測;在2005年8月至10月期間，在地王大廈樓頂架設(shè)三維超聲風(fēng)速儀和二維螺旋槳風(fēng)速儀，測量城市中心臺風(fēng)過程中的風(fēng)特性時程。2.2風(fēng)特性觀測的儀器設(shè)備風(fēng)特性觀測主要的儀器設(shè)備是風(fēng)速記錄觀測儀器。隨著傳感、數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸以及儀器制造等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)速儀也出現(xiàn)了巨大的變化