臺(tái)風(fēng)?？绊懴陆仫L(fēng)特性實(shí)測研究

臺(tái)風(fēng)?？绊懴陆仫L(fēng)特性實(shí)測研究

中國東南沿海地區(qū)是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的地區(qū)。臺(tái)風(fēng)登陸每年給該地區(qū)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員損失。由于臺(tái)風(fēng)與良態(tài)風(fēng)相比,在微觀結(jié)構(gòu)及湍流特性上均存在顯著差別,因此基于良態(tài)風(fēng)獲得的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究成果是否適用于臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū),還有待商榷?，F(xiàn)階段,研究臺(tái)風(fēng)特性最有效也是最直接的方法就是開展現(xiàn)場實(shí)測研究。西方發(fā)達(dá)國家從事該項(xiàng)研究起步較早,積累了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),并取得了一系列重要科研成果,部分成果已進(jìn)入規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中為了積累更多的臺(tái)風(fēng)資料,支撐我國臺(tái)風(fēng)特性研究的進(jìn)一步發(fā)展。同濟(jì)大學(xué)風(fēng)工程課題組在上海浦東機(jī)場附近建造了風(fēng)工程實(shí)測基地,用來對該地區(qū)強(qiáng)風(fēng)作用下的近地風(fēng)特性以及底層建筑屋蓋的風(fēng)壓變化特性進(jìn)行研究1現(xiàn)場測量總結(jié)1.1“?？睂?shí)測2012年8月3日08時(shí),第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？痹谖鞅碧窖笱竺嫔仙?登陸時(shí)中心氣壓965百帕,近中心風(fēng)力14級(jí),其軌跡路線和基地設(shè)施布置,如圖1所示。1.2測量數(shù)據(jù)采集測風(fēng)鋼塔位于上海浦東機(jī)場附近,全高40m。如圖2所示,在10、20及30m高度處東西方向兩側(cè)放置風(fēng)速儀,風(fēng)速儀采樣頻率為20Hz,采集數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向以及溫度等,數(shù)據(jù)為txt文件格式。風(fēng)速儀向正南安裝,風(fēng)向角定義北風(fēng)為0°,按俯視順時(shí)針增大。三維超聲風(fēng)速儀記錄數(shù)據(jù)用于分析研究使用,機(jī)械風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)只做相應(yīng)的補(bǔ)充與校對。另外,基地周邊地勢平坦,非常適合開展風(fēng)荷載實(shí)測研究,圖3給出了實(shí)測基地周邊東、南、西、北四個(gè)方向的地貌實(shí)物圖。2數(shù)據(jù)處理方法2.1風(fēng)速模型的建立三維超聲風(fēng)速儀可直接同步測量三維風(fēng)速時(shí)程、水平風(fēng)向角時(shí)程以及豎向風(fēng)向角時(shí)程,分別記為U(t)、θ(t)和φ(t)。根據(jù)“矢量分解法”,首先利用式(1)~式(3)將三維風(fēng)速U(t)在XYZ坐標(biāo)系下進(jìn)行分解,然后利用式(4)~(6)確定基本時(shí)距內(nèi)的水平平均風(fēng)速U和主風(fēng)向角θ。式中:step(·)表示階躍函數(shù);u式中:N為樣本數(shù)。獲得水平平均風(fēng)速U和主風(fēng)向角θ后,利用水平風(fēng)速分量u式中:ue788為風(fēng)速分量Ux與平均風(fēng)速U的夾角。2.2結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的比湍流度又名湍流強(qiáng)度,是湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值,是確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的重要參數(shù)之一。一般來說,湍流度可定義為平均時(shí)距(10min)內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與相應(yīng)時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速大小的比值,表達(dá)式為式中:σ2.3矩陣矩陣因素陣風(fēng)因子定義為短時(shí)距t式中:max(u珔(t2.4峰因子峰值因子用來定量表示脈動(dòng)風(fēng)的瞬時(shí)強(qiáng)度的表達(dá)式式中:U2.5湍流積分長度在風(fēng)工程領(lǐng)域,湍流積分尺度表征各種湍流渦旋中最經(jīng)常出現(xiàn),起主導(dǎo)作用的渦旋的大小,是氣流中渦旋平均尺寸的量度,是反映風(fēng)場特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)基于Taylor假設(shè)并經(jīng)推導(dǎo),可得到基于時(shí)間相關(guān)的湍流積分尺度表達(dá)式式中:L3測量數(shù)據(jù)分析3.1風(fēng)和風(fēng)本文對超聲風(fēng)速儀采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析方法可以采用矢量法。根據(jù)我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》3.2加以速度與風(fēng)速的關(guān)系圖6和圖7分別描述了臺(tái)風(fēng)“海葵”過境時(shí)不同高度處縱向、橫向及豎向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速及風(fēng)向的變化趨勢。從圖6中可以看出,不同高度處各向湍流度均隨風(fēng)速的增加而減小,但減小速率隨著風(fēng)速的增大而減小,湍流度與風(fēng)速之間呈負(fù)相關(guān)。30m高度處風(fēng)速大于10m/s時(shí)湍流度基本趨近于0.1,與Ishizaki為了分析湍流度隨時(shí)距的變化規(guī)律,圖8給出了各高度處不同風(fēng)速區(qū)間臺(tái)風(fēng)縱向湍流強(qiáng)度隨時(shí)距變化的曲線?？梢钥闯?各高度處縱向湍流度隨著時(shí)距的增加而減小;通過與DURST和Krayer-Marshall經(jīng)驗(yàn)曲線的對比,發(fā)現(xiàn)10m高度處縱向湍流度平均值、風(fēng)速大于8m/s以及風(fēng)速小于8m/s的縱向湍流度在t3.3陣風(fēng)因子與高度的關(guān)系經(jīng)式(13)~(15)計(jì)算后,得到了不同高度處陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間為3s時(shí)各向陣風(fēng)因子的平均值,如表2所示。從表中可見,各向陣風(fēng)因子隨高度的增大而減小。順風(fēng)向陣風(fēng)因子總平均值為1.44,比黃鵬等圖10反映了當(dāng)陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間為3s時(shí),縱向、橫向及豎向陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速的變化關(guān)系?？梢悦黠@看出,各向陣風(fēng)因子在各高度處均隨風(fēng)速增大而減小。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí),減小速率較快;而風(fēng)速較大時(shí),減小趨勢趨于平穩(wěn)。3.4陣風(fēng)風(fēng)速時(shí)距圖11表示不同高度處(時(shí)距:T=10min,t=3s)峰值因子隨10min平均風(fēng)速的變化情況?？梢钥闯?臺(tái)風(fēng)過境時(shí),10m、20m以及30m高度處峰值因子基本上隨平均風(fēng)速的增大略有減小但是變化不甚明顯且離散性比較大。各時(shí)段峰值因子的均值分別為2.801、2.663、2.621和2.385,隨著高度增加峰值因子的均值略有減小。圖12反映了各風(fēng)速時(shí)段峰值因子均值隨時(shí)距的變化規(guī)律。為便于與國外成果進(jìn)行比較,特別指出此處基本時(shí)距取為1h。由圖可見,不同高度對峰值因子隨時(shí)距變化的影響較小;實(shí)測結(jié)果與DURST曲線符合較好,但各高度處實(shí)測結(jié)果與DURST結(jié)果相比都要偏大。3.5湍流積分尺度隨高度的變化特征根據(jù)監(jiān)測總風(fēng)圖13分別給出了采用10min為基本時(shí)距,不同高度處(10m,20m和30m)縱向、橫向及豎向湍流積分尺度隨平均風(fēng)速的變化關(guān)系。從圖中可以看出,各向湍流積分尺度均有隨平均風(fēng)速的增大而增大的趨勢,并且隨著平均風(fēng)速的增大,其離散度也明顯增大?？梢钥吹?縱向、橫向及豎向湍流積分尺度均隨著高度增大而增大;同一高度處,L另外,本文詳細(xì)研究了10、20及30m高度處各向湍流積分尺度隨時(shí)距的變化規(guī)律,如圖14所示?？梢钥闯?不同高度處縱向和橫向湍流積分尺度均隨時(shí)距的增大而增大,而豎向湍流積分尺度隨時(shí)距的變化趨勢不明顯。30m高度處,縱向和橫向湍流積分尺度均隨時(shí)距的變化趨勢較快,而豎向湍流積分尺度在30m高度處變化速率較大。另外,還發(fā)現(xiàn)在時(shí)距較小時(shí),縱向湍流積分尺度大于橫向湍流積分尺度,但時(shí)距較大時(shí)結(jié)論相反,這可能是由于微觀湍流結(jié)構(gòu)特性的差異導(dǎo)致的。4風(fēng)速及時(shí)距和陣風(fēng)因子基于上海浦東近海岸邊測風(fēng)塔上風(fēng)速儀記錄的臺(tái)風(fēng)“?？睂?shí)測數(shù)據(jù),對臺(tái)風(fēng)過程中風(fēng)速與風(fēng)向、陣風(fēng)因子、湍流度、峰值因子以及湍流積分尺度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:(1)不同高度處各向湍流度隨風(fēng)速及時(shí)距的增加而減小,湍流度與風(fēng)速及時(shí)距呈負(fù)相關(guān)。實(shí)測湍流度隨時(shí)距的變化曲線與DURST和KRAYER-MARSHALL經(jīng)驗(yàn)結(jié)果基本一致。(2)各向陣風(fēng)因子隨高度的增大而減小。各高度處均隨風(fēng)速增大而減小,并且隨風(fēng)速的增大減小趨勢趨于平穩(wěn)。(3)在10、20以及30m高度處,峰值因子隨平