近地臺風(fēng)風(fēng)場特性及密集房屋風(fēng)荷載現(xiàn)場實測研究

近地臺風(fēng)風(fēng)場特性及密集房屋風(fēng)荷載現(xiàn)場實測研究

0結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的實測研究30年來，國外科學(xué)家在良好的天氣條件下研究了低碳建筑的負荷，其中最典型的是前閻良富爾的辛勤建設(shè)。1現(xiàn)場測量總結(jié)1.1實驗設(shè)計及測點布置實測系統(tǒng)由6.0m×4.0m×4.0m可移動平、坡型房屋風(fēng)壓測試系統(tǒng)和10m高測風(fēng)塔系統(tǒng)組成。實驗房布設(shè)在廣東省電白縣電城鎮(zhèn)海岸,經(jīng)度E111°30',維度N21°40'。實驗房及場地監(jiān)測環(huán)境如圖1所示。通過CR-5數(shù)據(jù)采集儀,對風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)壓信號同步采集,風(fēng)速、風(fēng)壓實時采樣頻率為20Hz。實驗房現(xiàn)場監(jiān)測周邊環(huán)境各方位地貌特征,實測系統(tǒng)相關(guān)測試設(shè)備及風(fēng)壓測試管路系統(tǒng)詳見文獻[12]。屋面風(fēng)壓測點布置及風(fēng)向角定義如圖2所示:平行屋脊方向風(fēng)向角為0°,定義0°~90°為角部正面斜向風(fēng)角度范圍。該范圍測點按3行3列排列共9個,tap12表示第1行第2列測點,邊緣測點距離山墻邊緣和屋檐邊緣均為0.03h=0.12m(h=4.0m),各測點之間行、列間距為0.1h=0.4m。角部測點范圍按3個區(qū)域進行分析:區(qū)域I包含邊緣區(qū)域測點tap11、tap21、tap31,測點分析面積為0.38m1.2復(fù)配膠實驗房和壓縮壓測點在2008—2011年臺風(fēng)季節(jié)期間,通過實驗房實測系統(tǒng)對正面登陸和嚴重影響觀測點地區(qū)的10余次臺風(fēng)登陸過程中的近地風(fēng)速和房屋表面風(fēng)壓進行了現(xiàn)場同步監(jiān)測。其中“北冕(0809)”、“強臺風(fēng)黑格比(0814)”、“燦都(1003)”和“海馬(1104)”為臺風(fēng)中心區(qū)域或臺風(fēng)眼壁區(qū)域途徑實驗房觀測點,上述臺風(fēng)路徑圖與實驗房相對位置如圖3所示。其他臺風(fēng)如“浣熊(0801)”、“海高斯(0817)”,“蘇迪羅(0905)”,“天鵝(0907)”,“彩虹(0913)”,“巨爵(0915)”等為外圍7級大風(fēng)區(qū)域影響實驗房觀測點。各臺風(fēng)實測0.05s最大瞬時風(fēng)速、3s最大平均風(fēng)速和10min最大平均風(fēng)速及風(fēng)向角如表1所示。實測“黑格比”的最大瞬間風(fēng)速為63.1m/s,3s最大平均風(fēng)速為54.7m/s,10min最大平均風(fēng)速為39.6m/s。上述統(tǒng)計風(fēng)速為10m標準高度處的測量值。2靠近地幔層的風(fēng)特征在強風(fēng)條件下,近地中性穩(wěn)定大氣邊界層湍流特征參數(shù)如湍流強度、陣風(fēng)因子和湍流積分尺度等主要受地面粗糙度影響2.1湍流積分尺度湍流度I定義為10min時距的脈動風(fēng)速標準方差與水平平均風(fēng)速的比值。不同來流風(fēng)向角下的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強度的變化趨勢分別如圖4a、4b所示。由圖4可知,平均風(fēng)向角在30°~150°范圍內(nèi)(東南方位),各臺風(fēng)實測10m高度的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強度相對吻合較好,表明臺風(fēng)湍流強度主要由地面粗糙度產(chǎn)生和控制。在東北方位(平均風(fēng)向角340°~360°~30°),實測順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強度相比東南方位要大。根據(jù)實驗房主要來流方位對應(yīng)的不同地貌特征:東北方位(B類地貌)和東南方位(A類地貌)及西南方位(C類地貌),對實測各臺風(fēng)的湍流特性參數(shù)按A、B、C三類地貌條件進行分類統(tǒng)計。各類地貌條件下,實測10m高度的湍流強度的平均值、標準方差、變異系數(shù)結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。由表2可見:A類地貌條件時,湍流強度I陣風(fēng)因子定義為陣風(fēng)持續(xù)期(t如圖5所示,陣風(fēng)因子同湍流強度相關(guān),湍流強度越大,陣風(fēng)系數(shù)越大。湍流強度與陣風(fēng)因子的相關(guān)性如式(1)所示。式中,參數(shù)k文中采用式(1)對湍流強度與陣風(fēng)因子的相關(guān)性進行擬合(圖5),擬合參數(shù)k湍流積分尺度是脈動風(fēng)中湍流渦旋平均尺寸的量度。湍流積分尺度L式中:L如表2所示,A地貌條件下,各向湍流積分尺度LSolari式中:z為計算高度;z將式(4)中地面粗糙度指數(shù)z式中,a為擬合參數(shù),Solari推薦值為0.074根據(jù)式(4)對湍流積分尺度與湍流強度的相關(guān)性進行曲線擬合(圖6),擬合參數(shù)a值為0.071,與Solari推薦值0.074較為接近。如圖6所示,擬合曲線能較好地反映湍流強度與湍流積分尺度均值變化趨勢,湍流積分尺度隨湍流強度增加而相應(yīng)減少。2.2湍流動能根方差湍流功率譜密度是湍流脈動動能在頻率上的分布密度,其在頻域上的全積分等于脈動對應(yīng)方向上的湍流動能的根方差的平方,用來描述湍流中不同尺度的渦的動能對湍流脈動動能的貢獻。基于Kolmogorov理論,頻率內(nèi)的脈動風(fēng)可以用統(tǒng)一形式的脈動風(fēng)速功率譜密度函數(shù)S(z,n)來表示。式中:n為頻率,Hz;u2.2.1風(fēng)“出/下”風(fēng)速功率譜密度比較以實測臺風(fēng)“燦都”為例,臺風(fēng)“燦都”可分為登陸前臺風(fēng)外圍對流區(qū)、臺風(fēng)眼壁區(qū)和登陸后外圍螺旋雨帶3部分不同區(qū)域影響實驗房觀測點。來流方向處于A類地貌條件下,臺風(fēng)“燦都”不同區(qū)域影響下10m高度的各向脈動風(fēng)速功率譜密度比較見圖7。如圖7a所示,臺風(fēng)眼壁區(qū)域10m高度的順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值略大于臺風(fēng)外圍區(qū)域的功率譜密度值。如圖7b所示,在慣性子區(qū)和高頻范圍,臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值大于其他區(qū)域功率譜密度值,表明臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向湍流分量相對較大。如圖7c所示,臺風(fēng)不同區(qū)域的豎向脈動風(fēng)速功率譜密度與順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度具有相似結(jié)果,臺風(fēng)眼壁區(qū)域豎向脈動風(fēng)速的功率譜密度值略大于其他區(qū)域功率譜密度值。2.2.2脈動風(fēng)速功率譜密度臺風(fēng)“燦都”眼壁區(qū)域的各向脈動風(fēng)速功率譜密度與實測平均風(fēng)速大于8m/s樣本的季風(fēng)脈動風(fēng)速功率譜密度比較見圖8。如圖8a所示,臺風(fēng)眼壁區(qū)10m高度的順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值略大于季風(fēng)功率譜密度值,兩者功率譜密度峰值對應(yīng)頻率相差不大,頻率n約為0.02~0.10Hz。如圖8b所示,在低頻和慣性子區(qū)范圍,臺風(fēng)的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值顯著大于季風(fēng)的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值,兩者功率譜密度峰值對應(yīng)頻率相差不大,頻率n約為0.5~0.6Hz。如臺風(fēng)橫風(fēng)向脈動風(fēng)速歸一化功率譜密度值nS2.2.3脈動風(fēng)速功率譜密度與經(jīng)驗譜密度比較實測臺風(fēng)“燦都”眼壁區(qū)域的各向脈動風(fēng)速功率譜密度值與各經(jīng)驗譜密度值比較見圖9。臺風(fēng)眼壁區(qū)域的順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值與各經(jīng)驗譜密度值比較如圖9a所示,在波長n/U<0.002m實測臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度與各經(jīng)驗譜密度比較如圖9b所示,在波長n/U<0.002m實測臺風(fēng)眼壁區(qū)域的豎向脈動風(fēng)速功率譜密度值與各經(jīng)驗譜密度值比較如圖9c所示,在波長n/U<0.01m3平梯度風(fēng)壓測量結(jié)果分析風(fēng)壓系數(shù)定義為風(fēng)荷載在建筑表面引起的壓力與來流未撓動風(fēng)速壓力的比值,計算如式(7)所示。式中:p(t)為實測風(fēng)壓值;p3.1屋頂風(fēng)壓分布在臺風(fēng)“燦都”(1003)作用下,平均風(fēng)向角35°斜風(fēng)向工況,屋面整體平均風(fēng)壓系數(shù)的分布特征如圖10a所示,平均風(fēng)壓系數(shù)等值線分布在屋面屋檐角部邊緣區(qū)域呈錐形渦狀,并具有較大平均風(fēng)壓。屋面整體的峰值負壓系數(shù)分布特征如圖10b所示,峰值負壓系數(shù)等值線分布同樣在屋面屋檐角部邊緣區(qū)域呈錐形渦狀,并具有較高峰值負壓系數(shù)。表明在斜向風(fēng)作用下,屋檐角部邊緣區(qū)域受氣流分離和錐形旋渦影響產(chǎn)生較高平均風(fēng)壓和峰值負壓。進一步選取屋面角部邊緣測點tap12、tap21、tap13、tap31分析其平均風(fēng)壓、峰值負壓和脈動風(fēng)壓分布特征。平均風(fēng)壓系數(shù)分布如圖11a所示,在平均風(fēng)向角20°~45°范圍時,屋檐角部邊緣區(qū)域具有較大平均風(fēng)壓系數(shù),平均風(fēng)壓系數(shù)(絕對值)大于GB50009—20123.2角部區(qū)域iii,iii峰值負壓系數(shù)屋面角部區(qū)域I、II、III的峰值負壓系數(shù)如圖12所示,角部邊緣區(qū)域I的峰值負壓系數(shù)的最小值為-9.9,其絕對值大于ASCE/SEI7-10規(guī)范角部區(qū)域局部風(fēng)壓系數(shù)規(guī)定值(-9.25)的絕對值,峰值負壓系數(shù)隨平均面積的增加而相應(yīng)減少,角部區(qū)域II,III峰值負壓系數(shù)在ASCE/SEI7-10規(guī)范允許值范圍內(nèi)。4脈動風(fēng)速功率譜密度本文根據(jù)實驗房獲取登陸臺風(fēng)近地風(fēng)速、房屋屋面風(fēng)壓實測數(shù)據(jù),研究了近地臺風(fēng)風(fēng)場中湍流特征參數(shù)和屋面角部風(fēng)壓分布規(guī)律,得到如下結(jié)論:1)臺風(fēng)湍流強度主要由地面粗糙度產(chǎn)生,隨地貌粗糙度增大而增加。A、B、C類地貌條件下,臺風(fēng)順風(fēng)向湍流強度的均值分別為0.13,0.21,0.32。陣風(fēng)因子同湍流強度正相關(guān),湍流強度與陣風(fēng)因子相關(guān)性擬合參數(shù)k2)臺風(fēng)眼壁區(qū)域的順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值略大于臺風(fēng)外圍區(qū)域?qū)崪y譜密度值,而臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值顯著大于臺風(fēng)外圍區(qū)域?qū)崪y譜密度值;同樣臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值顯著大于季風(fēng)的實測譜密度值,而順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜密度值略大于季風(fēng)的實測譜密度值。3)在低頻和慣性子區(qū)范圍,臺風(fēng)眼壁區(qū)域的順風(fēng)向脈動風(fēng)速實測譜密度值與vonKarman