王 旭， 黃 超， 黃 鵬， 劉海明， 周海根

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074； 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

臺(tái)風(fēng)“海葵”近地風(fēng)脈動(dòng)特性實(shí)測(cè)研究

王 旭1, 3， 黃 超1， 黃 鵬2， 劉海明3， 周海根2

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074； 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

基于10、20和30 m高度處臺(tái)風(fēng)“?？庇绊懴碌纳虾Ｆ謻|地區(qū)近地風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了陣風(fēng)因子、湍流度、峰值因子以及湍流積分尺度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，各向陣風(fēng)因子隨高度和風(fēng)速的增大而減??；不同高度處各向湍流度隨風(fēng)速的增加而減??；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較大，觀測(cè)高度對(duì)峰值因子隨時(shí)距變化的影響較??；各向的湍流積分尺度均有隨平均風(fēng)速的增大而增大的趨勢(shì)，并且隨著平均風(fēng)速的增大，其離散度也略有增大，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。

臺(tái)風(fēng)“?？保魂囷L(fēng)因子；湍流度；峰值因子；積分尺度

我國(guó)東南沿海地區(qū)是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的地區(qū)，每年臺(tái)風(fēng)登陸都會(huì)給該地區(qū)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。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(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。西方發(fā)達(dá)國(guó)家從事該項(xiàng)研究起步較早，積累了大量的實(shí)測(cè)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[1-5]。我國(guó)在該領(lǐng)域雖然起步較晚，但發(fā)展較快，截至目前已取得了豐碩的成果。如顧明等[6-7]基于上海環(huán)球金融中心頂部的風(fēng)速風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所關(guān)心的湍流度、陣風(fēng)因子等風(fēng)特性參數(shù)進(jìn)行了研究。李秋勝等[8]基于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比登陸過(guò)程中觀測(cè)得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析了臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中風(fēng)特性參數(shù)的變化規(guī)律。雖已有眾多的研究成果，但目前臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)信息還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)特性的研究難以形成系統(tǒng)的理論[9]。

為了積累更多的臺(tái)風(fēng)資料，支撐我國(guó)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(chǎng)附近建造了風(fēng)工程實(shí)測(cè)基地，用來(lái)對(duì)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[10-12]。本文對(duì)臺(tái)風(fēng)“?？弊饔孟律虾Ｆ謻|近海岸邊近地風(fēng)特性進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)記錄，分別獲得了10、20及30 m高度處的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中湍流度、陣風(fēng)因子、峰值因子以及湍流積分尺度的統(tǒng)計(jì)分析，全面了解該地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性，從而為我國(guó)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū)結(jié)構(gòu)抗強(qiáng)風(fēng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)概況

1.1 臺(tái)風(fēng)“?？睂?shí)測(cè)

2012年8月3日08時(shí)，第11號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？?在西北太平洋洋面上生成，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。

圖1 臺(tái)風(fēng)“海葵”路徑圖、實(shí)測(cè)基地周邊布置和超聲波風(fēng)速儀

Fig.1 Track of typhoon ‘HAIKUI’, field test base and ultrasonic anemometers

1.2 試驗(yàn)儀器及場(chǎng)地

測(cè)風(fēng)鋼塔位于上海浦東機(jī)場(chǎng)附近，全高40 m。如圖2所示，在10、20及30 m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20 Hz，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(duì)。另外，基地周邊地勢(shì)平坦，非常適合開(kāi)展風(fēng)荷載實(shí)測(cè)研究，圖3給出了實(shí)測(cè)基地周邊東、南、西、北四個(gè)方向的地貌實(shí)物圖。

圖2 40 m測(cè)風(fēng)塔及測(cè)風(fēng)裝置實(shí)物及分布圖

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 風(fēng)速與風(fēng)向

三維超聲風(fēng)速儀可直接同步測(cè)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。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:step(·)表示階躍函數(shù)；ux(t)、uy(t)分別表示X軸和Y軸方向上風(fēng)速分量在分析時(shí)距內(nèi)的平均值，表達(dá)式為

(7)

(8)

式中:N為樣本數(shù)。

圖3 測(cè)風(fēng)塔周邊地形實(shí)物圖

Fig.3 The photo of terrain around the station

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ux(t)和uy(t)在縱向(主風(fēng)向方向，定義為u向)和橫向(垂直于主風(fēng)方向，定義為v向)的投影可以得到水平縱向脈動(dòng)分量u(t)和橫向脈動(dòng)分量v(t)，同理由三維風(fēng)速時(shí)程U(t)在豎向(定義為w向)的投影可以得到豎向脈動(dòng)分量。具體計(jì)算公式見(jiàn)式(9)～(11)。

(9)

(10)

(11)

式中:φ為風(fēng)速分量Ux與平均風(fēng)速U的夾角。

2.2 湍流度

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(lái)說(shuō)，湍流度可定義為平均時(shí)距(10 min)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

(12)

式中:σi為脈動(dòng)風(fēng)速u(t)、v(t)和w(t)的均方根。

2.3 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子定義為短時(shí)距tg內(nèi)風(fēng)速均值的最大值與較長(zhǎng)參考時(shí)間T平均風(fēng)速的比值表達(dá)式

(13)

(14)

(15)

2.4 峰值因子

峰值因子用來(lái)定量表示脈動(dòng)風(fēng)的瞬時(shí)強(qiáng)度的表達(dá)式

(16)

式中：Umax(T,t)表示t(s)短時(shí)距段平均風(fēng)速的最大值；U(T)表示基本時(shí)距T內(nèi)的平均風(fēng)速；σu(T,t)表示t(s)時(shí)間段內(nèi)縱向脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差。

2.5 湍流積分尺度

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(chǎng)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[13]。根據(jù)其定義可知湍流積分尺度是基于空間相關(guān)的表達(dá)式

(17)

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

(18)

式中：Li表示i方向(縱向、橫向及豎向)脈動(dòng)風(fēng)速的湍流積分尺度；Ri(τ)表示i方向脈動(dòng)風(fēng)速自相關(guān)函數(shù)。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 風(fēng)速與風(fēng)向

本文對(duì)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(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]的規(guī)定，樣本時(shí)長(zhǎng)取為10 min，所得樣本數(shù)及10 min最大平均風(fēng)速在如表1所示。另外，圖4及圖5分別給出了臺(tái)風(fēng)“海葵”過(guò)境時(shí)不同觀測(cè)高度處10 min平均風(fēng)速隨時(shí)間以及水平風(fēng)向角的變化。從圖4中可見(jiàn)，由于此次臺(tái)風(fēng)不是正面登陸，因此隨時(shí)間變化呈現(xiàn)為單峰曲線；平均風(fēng)速隨高度的增加而增加，30 m高度處最大10 min平均風(fēng)速為16.51 m/s。

表1 臺(tái)風(fēng)“?？睂?shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本

圖4 10 min平均風(fēng)速隨時(shí)間的變化

圖5 10 min平均風(fēng)速隨風(fēng)向的變化

3.2 湍流度

圖6和圖7分別描述了臺(tái)風(fēng)“?？边^(guò)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(shì)。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)。30 m高度處風(fēng)速大于10 m/s時(shí)湍流度基本趨近于0.1，與Ishizaki[15]的研究結(jié)果接近。圖7中可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)在不同高度處縱向、橫向及豎向湍流強(qiáng)度在風(fēng)向角60°～90°之間隨著風(fēng)向角的變化而增加，而過(guò)了90°之后該變化趨勢(shì)不再明顯。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

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。可以看出，各高度處縱向湍流度隨著時(shí)距的增加而減小；通過(guò)與DURST和Krayer-Marshall經(jīng)驗(yàn)曲線的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)10 m高度處縱向湍流度平均值、風(fēng)速大于8 m/s以及風(fēng)速小于8 m/s的縱向湍流度在tg<10 s時(shí)數(shù)值明顯偏大，當(dāng)tg>30 s時(shí)結(jié)果與Durst經(jīng)驗(yàn)曲線接近。20 m及30 m高度處三條實(shí)測(cè)曲線值都小于Krayer-Marshall經(jīng)驗(yàn)曲線的數(shù)值。另外，圖9給出了臺(tái)風(fēng)登陸不同時(shí)段縱向湍流度平均值隨時(shí)距的變化?？梢钥闯?0、20及30 m高度處不同時(shí)間段內(nèi)，縱向湍流度隨時(shí)距的變化曲線趨勢(shì)一致數(shù)值相近。

3.3 陣風(fēng)因子

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3 s時(shí)各向陣風(fēng)因子的平均值，如表2所示。從表中可見(jiàn)，各向陣風(fēng)因子隨高度的增大而減小。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

順風(fēng)向陣風(fēng)因子總平均值為1.44，比黃鵬等[16]實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)“梅花”的結(jié)果(1.39)偏大；10 m高度處結(jié)果比文獻(xiàn)[17]實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)“Maemi”(觀測(cè)高度10 m)的結(jié)果相比略大，比胡尚瑜等[18]10 m高度以下的實(shí)測(cè)結(jié)果(1.30)偏大。

表2 陣風(fēng)因子平均值(tg=3 s,T=10 min)

圖10反映了當(dāng)陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間為3 s時(shí)，縱向、橫向及豎向陣風(fēng)因子隨10 min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(shì)趨于平穩(wěn)。

3.4 峰值因子

圖11表示不同高度處(時(shí)距：T=10 min,t=3 s)峰值因子隨10 min平均風(fēng)速的變化情況。可以看出，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，10 m、20 m以及30 m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。

(a) 縱向

(b) 橫向

圖11 峰值因子隨風(fēng)速的變化關(guān)系

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(guó)外成果進(jìn)行比較，特別指出此處基本時(shí)距取為1 h。由圖可見(jiàn)，不同高度對(duì)峰值因子隨時(shí)距變化的影響較?。粚?shí)測(cè)結(jié)果與DURST曲線符合較好，但各高度處實(shí)測(cè)結(jié)果與DURST結(jié)果相比都要偏大。

圖12 各高度處峰值因子均值隨時(shí)距的變化(T=1 h)

Fig.12 Variation of peak factors with gust time interval at different heights(T=1 h)

3.5 積分尺度

(a) 縱向

(b) 橫向

(c) 豎向

另外，本文詳細(xì)研究了10、20及30 m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(shì)不明顯。30 m高度處，縱向和橫向湍流積分尺度均隨時(shí)距的變化趨勢(shì)較快，而豎向湍流積分尺度在30 m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。

(a) 縱向

(b) 橫向

(c) 豎向

4 結(jié) 論

基于上海浦東近海岸邊測(cè)風(fēng)塔上風(fēng)速儀記錄的臺(tái)風(fēng)“?？睂?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)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(cè)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(shì)趨于平穩(wěn)。

(3) 在10、20以及30 m高度處，峰值因子隨平均風(fēng)速的變化均不明顯，峰值因子變化范圍在1.5～5.0之間，且離散性較大。

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Field measurements for characteristics of near ground fluctuating wind during typhoon ‘HAIKUI’ blowing

WANG Xu1,3, HUANG Chao1, HUANG Peng2, LIU Haiming3, ZHOU Haigen2

(1. State Key Lab Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China; 2. State Key Lab of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co., Ltd, Chongqing 400067, China)

Based on field measured data for near ground fluctuating wind at heights of 10m, 20m and 30m during typhoon HAIKUI blowing cross Shanghai Pudong District, the variation laws of gust factor, turbulence intensity, peak factor and turbulence integral scale were analyzed. The results showed that all gust factors decrease with increase in height and wind speed; all turbulence intensities at different heights decrease with increase in wind speed; peak factor decreases substantially with increase in the mean wind speed but its change isn’t obvious and its discreteness is larger, and the observation height has a smaller effect on the change of peak factor with variation of time interval; all turbulence integral scales have an increasing trend and their discreteness also slightly increases with increase in the mean wind speed, longitudinal and lateral turbulence integral scales at different heights increase with increase in time interval.

Typhoon ‘HAIKUI’; gust factor; turbulence intensity; peak factor; turbulence integral scale

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51308510)；重慶市博士后基金項(xiàng)目(XM2015066)；橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201503)；山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開(kāi)放基金(CQSLBF-Y16-4)

2015-12-17 修改稿收到日期：2016-04-14

王旭 男，副教授，博士，1982年生

黃鵬 男，博士,研究員，1974年生 E-mail:huangtju@#edu.cn

TU312. 1；TU317. 2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.032