謝壯寧,段 靜,劉慕廣,張 麗
(1. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510641;2. 深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái),廣東深圳518040)
在強(qiáng)(臺(tái))風(fēng)作用下邊界層高度范圍內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)(包括平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面、脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度和湍流積分尺度剖面等)的科學(xué)描述對(duì)于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)評(píng)估和抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是研究大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)特性的最可靠的方法,其測(cè)量結(jié)果可用于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范取值的合理性驗(yàn)證,同時(shí)也是開(kāi)展混合數(shù)值模擬分析并核查其結(jié)果可靠性的唯一依據(jù)。
通常情況下,依靠大量地面站獲取低空風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較容易,而獲取高空風(fēng)特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則非常困難,可靠的數(shù)據(jù)尤其是能夠反映大氣湍流特性的時(shí)變脈動(dòng)風(fēng)速數(shù)據(jù)極為稀少,后者通常是通過(guò)為數(shù)不多的高聳測(cè)風(fēng)塔獲取。如Li等[1-2]利用325 m高的北京氣象塔上風(fēng)速儀多年測(cè)量的大風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)和暴風(fēng)期間部分高度三維超聲風(fēng)速儀記錄的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù),分析給出了平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度和三維脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度等反映大氣湍流特征的重要信息,并將其與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷念A(yù)測(cè)進(jìn)行比較,評(píng)估了現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷倪m當(dāng)性。李利孝等[3]和肖儀清等[4]利用100 m 測(cè)風(fēng)塔和風(fēng)廓線雷達(dá)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究了臺(tái)風(fēng)黑格比發(fā)展過(guò)程風(fēng)剖面特征,以及海上臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)場(chǎng)和脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)特性,指出近海海面風(fēng)剖面指數(shù)較規(guī)范偏小,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在一定正攻角。近年來(lái)激光雷達(dá)也應(yīng)用于近地面臺(tái)風(fēng)湍流特性的研究中。姚博等[5]利用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)獲取了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心區(qū)和眼壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)等位置的290 m 近地實(shí)測(cè)風(fēng)速,指出臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)中不同位置風(fēng)場(chǎng)特性存在明顯差異。超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中更加關(guān)心工程項(xiàng)目所在地高空的實(shí)際風(fēng)速。近年來(lái)城市地區(qū)超高層建筑頂部逐漸成為安置測(cè)風(fēng)儀器的熱門位置[6-7],但是這種方式獲取的風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常是高空位置的單點(diǎn)數(shù)據(jù),無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)剖面規(guī)律的連續(xù)描述,同時(shí)建筑頂部的風(fēng)速容易受到建筑本身的影響,測(cè)量數(shù)據(jù)即便是平均風(fēng)速也需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校準(zhǔn)才能夠代替實(shí)際自由來(lái)流的風(fēng)速。
基本風(fēng)壓取值是規(guī)范(文中如無(wú)特殊說(shuō)明,均指現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8])中的強(qiáng)制條款,故描述平均風(fēng)速剖面形狀的剖面指數(shù)是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)工程研究中首要關(guān)注的重要參數(shù)。文獻(xiàn)[1-2]的研究結(jié)果顯示,北京氣象塔主導(dǎo)風(fēng)向上游為多層建筑構(gòu)成的密集型上游地貌,其平均風(fēng)速剖面指數(shù)達(dá)0.397,這個(gè)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范D類地貌風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速剖面指數(shù)。全涌等[9]用縮尺模型模擬了上海市同濟(jì)大學(xué)四平路校區(qū)所處城市中心區(qū)域西北西方向上1.8 km×8.0 km范圍內(nèi)的真實(shí)地貌,通過(guò)對(duì)該地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)研究了城市地貌特征、遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)地貌對(duì)平均風(fēng)速剖面的影響。結(jié)果表明,研究范圍內(nèi)的大城市中心地貌的地面粗糙度指數(shù)達(dá)到0.50~0.75,遠(yuǎn)大于我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范給出的大城市中心地貌的地面粗糙度指數(shù)值0.30。目前結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中取D類地貌的依然很少,很多項(xiàng)目依然傾向于取偏于保守的C類地貌進(jìn)行設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中對(duì)現(xiàn)代宜居城市建設(shè)所配套的密集綠化帶和成片森林公園的地貌粗糙度取值仍存在爭(zhēng)議[10],工程中依然偏向于按B類地貌取值進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本文基于356 m 高的深圳氣象觀測(cè)梯度塔(SZMGT)在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)山竹發(fā)展期間獲取的實(shí)測(cè)風(fēng)速記錄,討論了平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度和脈動(dòng)風(fēng)速功率譜沿高度的分布規(guī)律,對(duì)比規(guī)范并嘗試對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性剖面進(jìn)行參數(shù)擬合。臺(tái)風(fēng)作為一種特殊的渦旋結(jié)構(gòu),其風(fēng)場(chǎng)特性異于依托北京氣象塔測(cè)得的良態(tài)風(fēng)場(chǎng)[1-2],通過(guò)本文研究期望對(duì)高聳和超高層結(jié)構(gòu)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)以及未來(lái)規(guī)范修訂提供一些邊界層風(fēng)場(chǎng)特性的有價(jià)值信息。
超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)山竹(編號(hào)201822)于北京時(shí)間2018年9 月7 日在西北太平洋洋面生成,9 月11 日8 時(shí)升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),9月15日2時(shí)以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸(登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速為65 m?s-1),9月16日17時(shí)在廣東臺(tái)山海晏鎮(zhèn)登陸(登陸中心附近最大風(fēng)速為45 m·s-1),沿西西北方向向內(nèi)陸移動(dòng),9 月17 日17 時(shí)停止記錄。根據(jù)深圳氣象臺(tái)的站點(diǎn)記錄結(jié)果,最大瞬時(shí)風(fēng)速為48.7 m?s-1,最大10 min 平均風(fēng)速為40.7 m?s-1。圖1 為深圳臺(tái)風(fēng)網(wǎng)記錄的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)山竹的路徑示意圖,臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過(guò)程中與深圳市最近距離大約120 km。
圖1 山竹路徑圖Fig.1 Path of typhoon Mangkhut
位于深圳市寶安區(qū)鐵崗水庫(kù)的氣象觀測(cè)梯度塔,是目前亞洲第一、世界第二高的桅桿結(jié)構(gòu)鐵塔。塔址周邊(近場(chǎng))覆蓋大片茂密的低矮果樹(shù)林(高度大約是4~6 m),遠(yuǎn)處(東面)有成片的多層和低矮廠房的建筑群。塔身設(shè)置13 個(gè)外平臺(tái)用于氣象梯度觀測(cè),其中10、40、160和320 m高度同時(shí)設(shè)置風(fēng)杯式風(fēng)速儀和超聲風(fēng)速儀。為本文提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源的超聲風(fēng)速儀采樣頻率為10 Hz,能滿足精度要求。
實(shí)測(cè)風(fēng)速序列分析時(shí)段為2018 年9 月15 日8:00—2018 年9 月17 日24:00,共計(jì)64 h 時(shí)長(zhǎng)。參考文獻(xiàn)[4],采用五點(diǎn)三次平滑法與滑動(dòng)平均法結(jié)合的方式對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。以10 min為基本時(shí)距對(duì)采樣序列進(jìn)行劃分,并按照順序編號(hào)。320 m高度處14:40—18:00之間有8個(gè)子樣本的數(shù)據(jù)出現(xiàn)無(wú)法彌補(bǔ)的缺失,10 m和40 m高度處各有2個(gè)樣本其數(shù)據(jù)經(jīng)判斷出現(xiàn)明顯的質(zhì)量問(wèn)題,分析時(shí)不予考慮。4個(gè)梯度高度的時(shí)間序列,分析時(shí)段內(nèi)有效子樣本數(shù)量共計(jì)384×4-8-4=1 524。
式(1)~(4)中:ui(t)(i=x,y,z)為在x 軸、y 軸、z 軸下的實(shí)測(cè)風(fēng)速記錄;uˉi(t)(i=x,y,z)為在x軸、y軸、z軸下平均時(shí)距內(nèi)的風(fēng)速時(shí)程平均值;-U為平均時(shí)距內(nèi)水平方向平均風(fēng)速;----W為平均時(shí)距內(nèi)豎向平均風(fēng)速;αˉ為平均時(shí)距的水平風(fēng)向角均值;u?(t)、v?(t)、w?(t)分別為縱向、橫向、豎向的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。
根據(jù)平均風(fēng)向角的變化規(guī)律,將分析時(shí)段細(xì)化為3個(gè)時(shí)段:9月15日8:00—9月16日8:00為T 1,9月16 日8:00—9 月17 日4:00 為T 2,其他時(shí)段為T 3。不考慮風(fēng)攻角的情況下,分析10 min時(shí)距劃分的子樣本的平均風(fēng)速和平均風(fēng)向角隨時(shí)間的變化規(guī)律,其結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 不同高度處平均風(fēng)速及風(fēng)向時(shí)程Fig.2 Time histories of mean wind speed and direction at different heights
由圖2a 可見(jiàn),臺(tái)風(fēng)山竹在發(fā)展初期,梯度塔捕獲的風(fēng)速時(shí)程曲線隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻并非為風(fēng)速最大時(shí)刻,登陸前即16日約15時(shí)左右達(dá)到了各梯度高度的最大平均風(fēng)速;平均風(fēng)速隨著高度的增加而增大。
圖2b 所顯示的不同高度處測(cè)得的平均風(fēng)向角無(wú)明顯差異,同時(shí)臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期和后期平均風(fēng)向角隨時(shí)間無(wú)明顯變化,風(fēng)向轉(zhuǎn)變明顯時(shí)段正對(duì)應(yīng)風(fēng)速時(shí)程的大風(fēng)時(shí)段。
參考Davenport 提出的指數(shù)律表達(dá)形式,以10 m高度作為參考高度計(jì)算出的各子樣本的平均風(fēng)速剖面的指數(shù)時(shí)程見(jiàn)圖3。按照上述的時(shí)段劃分考慮指數(shù)時(shí)程曲線,地面粗糙度指數(shù)取值在T 1 和T 3 時(shí)段離散性較大,其均值分別為0.237 8和0.239 6;在T 2對(duì)應(yīng)的大風(fēng)時(shí)段則相對(duì)平穩(wěn),其均值為0.236 0;統(tǒng)計(jì)所有子樣本的地面粗糙度指數(shù)均值為0.238 7。由圖3可見(jiàn),大風(fēng)時(shí)段風(fēng)速特性參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定可靠,故后文的分析重點(diǎn)圍繞大風(fēng)時(shí)段展開(kāi)。
選址于B類地貌的梯度塔在大風(fēng)時(shí)段其地面粗糙度指數(shù)取值更偏于C 類地貌;因而在以往的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中,將工程所在地上游的較高密集綠植或茂密綠化帶地形當(dāng)作B類地貌處理是偏于保守的。
圖3 地面粗糙度指數(shù)時(shí)程Fig.3 Time history of ground roughness index
湍流強(qiáng)度I 定義為10 min 時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速均方差σ和平均風(fēng)速的比值。根據(jù)梯度塔不同高度的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)分析得到的3 個(gè)方向的湍流強(qiáng)度(Iu、Iv、Iw)時(shí)程結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4 可知,湍流強(qiáng)度隨高度的增加而減少;臺(tái)風(fēng)登陸前湍流強(qiáng)度偏大,登陸后逐漸變??;大風(fēng)時(shí)刻附近,各向湍流強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)“小高峰”。
樣本的湍流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。不同時(shí)段湍流強(qiáng)度的差異主要表現(xiàn)在:①湍流強(qiáng)度有隨臺(tái)風(fēng)的發(fā)展呈現(xiàn)減小趨勢(shì);同時(shí)隨高度的增加也呈現(xiàn)減小趨勢(shì);但縱向湍流強(qiáng)度在大風(fēng)時(shí)段的實(shí)測(cè)值相對(duì)偏高,10 m 高度測(cè)點(diǎn)不滿足該規(guī)律。②臺(tái)風(fēng)登陸前的T 1 時(shí)段其三向湍流強(qiáng)度比值比公路橋梁規(guī)范[11]建議值1∶0.88∶0.55 要大,且其值均隨高度增加而增大,高空處橫向湍流強(qiáng)度甚至超過(guò)縱向湍流強(qiáng)度;大風(fēng)時(shí)段三向湍流強(qiáng)度比值比規(guī)范建議值小,其三向湍流強(qiáng)度比值隨高度的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。
取縱向湍流強(qiáng)度均值結(jié)果比較其剖面變化規(guī)律,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 可知,大風(fēng)時(shí)段的縱向湍流強(qiáng)度剖面為所有時(shí)段最大,大于日本規(guī)范[12]的Ⅲ類地貌對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度剖面,且與中國(guó)規(guī)范D 類地貌對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度剖面更為接近;但是10 m高度的縱向湍流強(qiáng)度實(shí)測(cè)值比規(guī)范值偏小約20%。
圖4 湍流強(qiáng)度時(shí)程Fig.4 Time history of turbulence intensity
陣風(fēng)因子G定義為一定持續(xù)期tg內(nèi)的平均風(fēng)速與特定平均時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速之比。這里陣風(fēng)持續(xù)期tg取3 s,平均時(shí)距取10 min。圖6 為各向陣風(fēng)因子隨時(shí)間的變化。由圖6 可知,各向陣風(fēng)因子隨高度的增加而減?。桓飨蜿囷L(fēng)因子在臺(tái)風(fēng)登陸后隨時(shí)間增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì),該趨勢(shì)在橫向和豎向陣風(fēng)因子時(shí)程中更明顯。分時(shí)段考慮樣本陣風(fēng)因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,各高度處陣風(fēng)因子取值規(guī)律和湍流強(qiáng)度相似,縱向陣風(fēng)因子在大風(fēng)時(shí)段取值相對(duì)偏高(10 m 測(cè)點(diǎn)除外),其余各向陣風(fēng)因子隨臺(tái)風(fēng)登陸和發(fā)展逐漸變??;陣風(fēng)因子及三向之比也隨高度的增加而減小。
考慮陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系,將不同高度的各向陣風(fēng)因子和對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)圖7。根據(jù)陣風(fēng)因子的定義,圖7 中對(duì)于順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向的陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度的關(guān)系分別按照Gu=1+aIu、Gv=aIv和Gw=aIw進(jìn)行擬合分析(a為待定系數(shù))。由圖7可知,不同高度處各向陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度呈現(xiàn)出相似的線性趨勢(shì)。對(duì)于縱向,10、40、160 和320 m 處系數(shù)a 的擬合結(jié)果分別為2.639、2.472、2.375和2.352;對(duì)于橫向,10、40、160和320 m處系數(shù)a的擬合結(jié)果分別為2.597,2.482,2.455 和2.454;對(duì)于豎向,10、40、160 和320 m 處系數(shù)a 的擬合結(jié)果分別為2.360,2.566,2.652和2.662。
表1 湍流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistic results of turbulence intensity
圖5 湍流強(qiáng)度剖面Fig.5 Profile of turbulence intensity
中國(guó)規(guī)范給出的順風(fēng)向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)系數(shù)是描述速壓的變化,其計(jì)算形式為βzg=1+2gIu,而臺(tái)風(fēng)的順風(fēng)向陣風(fēng)因子計(jì)算形式為Gu=1+aIu,這兩者中的a和g在物理意義上是一致的,均為反映脈動(dòng)風(fēng)壓變化的峰值因子。陣風(fēng)因子計(jì)算公式中系數(shù)a的擬合結(jié)果接近2.5,這意味著臺(tái)風(fēng)山竹統(tǒng)計(jì)的各向峰值因子接近2.5。
本文采用基于Taylor假設(shè)的自相關(guān)函數(shù)直接積分法計(jì)算湍流積分尺度,各向湍流積分尺度的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[13]。圖8為各向不同高度處湍流積分尺度隨時(shí)間的變化。由圖8 可知,相比其他風(fēng)特性參數(shù),湍流積分尺度的離散特征更為明顯。隨著高度的增加,各向湍流積分尺度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);同高度處縱向湍流積分尺度>橫向湍流積分尺度>豎向湍流積分尺度。
取以上湍流積分尺度的均值列于表3 進(jìn)行對(duì)比。由表3 可知,同高度的湍流積分尺度在不同時(shí)段的實(shí)測(cè)值有較為明顯的偏差,大風(fēng)時(shí)段的實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏大??紤]三向湍流積分尺度的相互關(guān)系,通常在各項(xiàng)同性湍流領(lǐng)域,縱向湍流規(guī)模是橫向和垂直方向的2倍,在靠近地面的點(diǎn)伴隨著速度切變,縱向湍流規(guī)模是垂直方向的3 倍;本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)湍流積分尺度的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),高空測(cè)點(diǎn)縱向湍流積分尺度約為橫向湍流積分尺度的2 倍左右,約為豎向湍流積分尺度的3~4 倍。但10 m 高度測(cè)點(diǎn)不符合該規(guī)律,其橫向湍流尺度相對(duì)偏大,豎向湍流尺度相對(duì)偏小。日本規(guī)范AIJ 2004 和美國(guó)規(guī)范ASCE7—2010[14]中縱向湍流積分尺度剖面計(jì)算公式如式(5)和式(6)所示。根據(jù)最小二乘法擬合湍流積分尺度剖面,擬合形式見(jiàn)式(7)。
圖6 陣風(fēng)因子時(shí)程Fig.6 Time history of gust factor
表2 陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistic results of gust factor
圖7 陣風(fēng)因子隨湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.7 Gust factor versus turbulence intensity
圖8 湍流積分尺度時(shí)程Fig.8 Time history of turbulence integral scale
式(5)~(7)中:zg為梯度風(fēng)高度;zmin為離地最小高度,根據(jù)前面分析的塔址實(shí)際地貌情況,按照中國(guó)規(guī)范C 類地貌取值,應(yīng)為15 m;β 為待擬合的冪指數(shù)。取各時(shí)段湍流積分尺度實(shí)測(cè)均值,對(duì)湍流積分尺度剖面分時(shí)段考慮,其結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9 可知,大風(fēng)時(shí)段的湍流積分尺度最大;其結(jié)果與AIJ 2004 建議的剖面相比,低空位置取值較規(guī)范推薦值偏大,高空位置取值和規(guī)范推薦值接近;ASCE7—2010建議的縱向湍流積分尺度剖面和大風(fēng)時(shí)段的實(shí)測(cè)湍流積分尺度剖面整體比較接近,但是高空位置取值較規(guī)范推薦偏小。深圳氣象塔在大風(fēng)時(shí)段的實(shí)測(cè)湍流積分尺度剖面擬合結(jié)果如下:
表3 湍流積分尺度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistic results of turbulence integral scale
圖9 湍流積分尺度剖面Fig.9 Scale profile of turbulence integral
脈動(dòng)風(fēng)功率譜能夠清晰展示脈動(dòng)風(fēng)能量在頻域的分布,是風(fēng)場(chǎng)的重要參數(shù)。大量的實(shí)測(cè)結(jié)果認(rèn)為Von Karman譜描述臺(tái)風(fēng)湍流能量的分布比較合適。進(jìn)行功率譜分析時(shí)樣本取大風(fēng)時(shí)段附近時(shí)長(zhǎng)1 h 的樣本(9月16日13:00—14:00)。脈動(dòng)風(fēng)速功率譜橫坐標(biāo)采用莫寧坐標(biāo)形式,湍流積分尺度的計(jì)算沿用公式(8)??v向脈動(dòng)風(fēng)速Von Karman譜為
式中:Su( f )為縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜;σ2u為縱向脈動(dòng)風(fēng)速方差;Lu為縱向湍流積分尺度;f 為實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)頻率。
限于篇幅,本文僅對(duì)各高度處縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜進(jìn)行分析,其結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10 可知,計(jì)算得到的大風(fēng)時(shí)刻風(fēng)速序列的實(shí)測(cè)功率譜密度曲線和Von Karman 譜趨勢(shì)較為一致。對(duì)于縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜,兩者在低頻段吻合良好,特別是高空位置,實(shí)測(cè)譜和Von Karman 譜的一致性相對(duì)更好。Von Karman 譜描述臺(tái)風(fēng)湍流能量分布規(guī)律特別是高空臺(tái)風(fēng)較為合適的。
圖10 脈動(dòng)風(fēng)速功率譜Fig.10 Pulsating wind speed power spectrum
根據(jù)本文研究可得以下結(jié)論:
(1)梯度塔所處的深圳市郊,平均風(fēng)速剖面在大風(fēng)時(shí)段取值相對(duì)穩(wěn)定,風(fēng)剖面指數(shù)均值為0.238。結(jié)合梯度塔大風(fēng)風(fēng)向的上游地形情況,對(duì)于工程所在地為開(kāi)闊但存在密集較高植被的地貌,其地面粗糙度可按C類地貌處理。
(2)大風(fēng)時(shí)段的縱向湍流強(qiáng)度最大,其剖面接近中國(guó)規(guī)范D類地貌的建議值。大風(fēng)時(shí)段的湍流強(qiáng)度三向比值小于橋梁規(guī)范的建議值。臺(tái)風(fēng)登陸前高空橫向湍流作用加強(qiáng),湍流強(qiáng)度甚至超過(guò)縱向湍流強(qiáng)度。
(3)陣風(fēng)因子和湍流強(qiáng)度存在線性關(guān)系;基于線性關(guān)系擬合的峰值因子取值和中國(guó)規(guī)范的建議值2.5接近。
(4)大風(fēng)時(shí)段三向湍流積分尺度關(guān)系約為L(zhǎng)xu=2Lxv=(3~4)Lxw,且縱向湍流積分尺度的擬合分布略大于ASCE7—2010的建議值。
(5)實(shí)測(cè)得到的縱向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜和Von Karman譜的一致性較好。
作者貢獻(xiàn)說(shuō)明:
謝壯寧:統(tǒng)籌論文研究工作,指導(dǎo)論文的研究方向并修改論文。
段 靜:查找文獻(xiàn),分析數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)論文的撰寫工作。
劉慕廣:參與部分?jǐn)?shù)據(jù)分析,提供修改意見(jiàn)。
張 麗:負(fù)責(zé)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)的測(cè)量工作,提供氣象問(wèn)題的咨詢。