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考慮下墊面復(fù)雜性的行人風(fēng)環(huán)境評估

2021-11-16 02:41鄧建勛李司冉張祥敏胡海濤錢長照陳昌萍
關(guān)鍵詞:湍流剖面橋面

鄧建勛,李司冉,,張祥敏,胡海濤,錢長照,陳昌萍,

(1.廈門大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,福建 廈門 361005;2.廈門理工學(xué)院 風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程福建省重點實驗室,福建 廈門 361024)

隨著我國城市的快速發(fā)展,下墊面的復(fù)雜程度越來越高,建筑物和地形的改變易引發(fā)行人風(fēng)環(huán)境的不舒適問題.目前,風(fēng)洞試驗被廣泛應(yīng)用于行人風(fēng)環(huán)境的研究中,陳德江等[1]利用風(fēng)洞試驗研究某高層建筑周邊群體建筑群的風(fēng)環(huán)境,結(jié)果表明,建筑風(fēng)環(huán)境滿足舒適性條件;馬文勇等[2]利用風(fēng)洞試驗對群體建筑周邊風(fēng)環(huán)境進行研究,發(fā)現(xiàn)群體建筑的夾縫與角區(qū)的風(fēng)速值較大;關(guān)吉平等[3]通過風(fēng)洞試驗研究群體建筑風(fēng)環(huán)境的干擾效應(yīng),得到高層建筑建成后尾流區(qū)對周邊風(fēng)環(huán)境的影響結(jié)果;唐春朝等[4]利用風(fēng)洞試驗研究高聳建筑對周邊小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)高聳建筑的建設(shè)降低了小區(qū)風(fēng)環(huán)境的舒適度.然而,目前風(fēng)洞試驗研究城市風(fēng)環(huán)境選取的研究范圍較小,地表特征均為城市平坦區(qū)域,忽略了城市地形對風(fēng)環(huán)境的影響.同時,試驗得到的風(fēng)環(huán)境變化規(guī)律需要進行進一步評價分析,學(xué)者們主要采用超越閾值概率法進行評估.陳勇等[5]對超越閾值概率的風(fēng)環(huán)境評價標準作出統(tǒng)一劃分;李朝等[6]綜合考慮陣風(fēng)效應(yīng),利用超越閾值概率法對復(fù)雜建筑的行人舒適度和危險度作出評價;文獻[7-10]利用超越閾值概率法,評價研究區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境舒適度.在前期對氣象數(shù)據(jù)的處理中,研究者默認采用雙參數(shù)Weibull分布對超越閾值概率進行計算,并沒有考慮雙參數(shù)Weibull分布與實際風(fēng)速概率分布的擬合程度.

針對目前研究的不足,本文以福建省廈門市某橋址區(qū)為研究對象,建立較大范圍的地形和城市建筑物疊加的風(fēng)洞試驗?zāi)P?,對橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境變化作出精確判斷;利用極大似然估計法估算三參數(shù)Weibull分布的位置參數(shù)[11-14],并對氣象數(shù)據(jù)進行擬合;引入帶有位置參數(shù)的三參數(shù)超越閾值概率計算公式,對人行橋橋面的行人風(fēng)環(huán)境進行評估.

1 復(fù)雜下墊面風(fēng)洞試驗

1.1 試驗?zāi)P图帮L(fēng)洞概況

采用風(fēng)洞試驗研究福建省廈門市某橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境.建立地形-建筑物耦合模型,模型以橋址為中心,選取2.5 km直徑范圍內(nèi)的地形及建筑物制作幾何模型,地形區(qū)域內(nèi)有兩座山,海拔分別為212,139 m.模型縮尺比為1∶600,阻塞率均小于5%.試驗?zāi)P?,如圖1(a)所示.試驗在廈門理工學(xué)院XMUT-WT風(fēng)洞實驗室低速試驗段進行,數(shù)據(jù)采集采用移測架和TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速儀相結(jié)合的方式;試驗風(fēng)場采用B類風(fēng)場和均勻場作為來流條件.B類風(fēng)場采用尖劈和粗糙元調(diào)試,如圖1(b)所示.模擬的平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面,如圖2所示.圖2中:h為風(fēng)洞試驗邊界層高度;v為平均風(fēng)速;I為湍流度.

(a)試驗?zāi)P?(b)風(fēng)場調(diào)試

(a)平均風(fēng)速 (b)湍流度

1.2 計算工況及測點布置

該人行橋梁為曲線懸索橋,曲線橋全長為216.7 m,橋軸線長為202.2 m,橋梁軸線與水平(東西方向)成38°,橋面高度距離地面34.52 m.結(jié)合兩座山體位置及建筑物排布影響,以正北為第1個工況,角度間隔45°為1個工況,共設(shè)置8個工況.

橋址位置,如圖3(a)所示,在橋面設(shè)置9個監(jiān)測位置.同時,對橋址所處的城市街道及山體布置測點,監(jiān)測街道風(fēng)環(huán)境變化,監(jiān)測位置,如圖3(b)所示.

(a)橋址位置 (b)山體、城市街道監(jiān)測位置

1.3 試驗結(jié)果及分析

Ri=vi/v0.

(1)

城市街道是城市內(nèi)部的通風(fēng)廊道,容易形成街道峽谷風(fēng).均勻場和紊流場下,橋面行人高度處與街道同高度處的風(fēng)速比散點分布圖,如圖4所示.圖4中:Ru,Rf分別為均勻場和紊流場的風(fēng)速比.

圖4 風(fēng)速比散點分布圖

由圖4可知:均勻場和紊流場風(fēng)速比變化基本一致,線性擬合斜率在0.56~0.66之間,證明了風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的真實可靠性;而橋面行人高度處風(fēng)速比擬合線段在城市街道同高度處風(fēng)速比擬合線段下方分布,說明該橋址區(qū)在部分風(fēng)向下不是風(fēng)速放大區(qū)域,主要原因是城市建筑物及山體對風(fēng)速的阻擋效應(yīng).

為了了解不同工況下橋面行人高度處風(fēng)速比的變化,選取受城市冠層影響較大的0°和180°工況及受山體影響的90°和270°工況進行分析,結(jié)果如圖5所示.由圖5可知:0°和180°工況下,橋面行人高度處風(fēng)速比最大值為1.18,最小值為0.43,受城市下墊面阻擋效應(yīng)影響,橋面行人高度處風(fēng)速比整體較小,風(fēng)速比大于1的情況是受街道峽谷風(fēng)影響;90°和270°工況受山體影響下,橋面行人高度處風(fēng)速比基本均小于1.橋址的起點和終點均在山腳位置,山腳處為平均風(fēng)速的減速區(qū)域.

(a)0°和180°工況 (b)90°和270°工況

1.3.2 復(fù)雜下墊面影響下的平均風(fēng)速剖面 橋址區(qū)風(fēng)速剖面受下墊面地表特征影響,風(fēng)速變化情況不同.不同工況的平均風(fēng)速剖面,如圖6所示.圖6中:H/Hr為無量綱化高度;v/vr為無量綱化平均風(fēng)速.

由圖6可知:0°和180°工況的平均風(fēng)速剖面與來流風(fēng)速剖面有較大差異,0°工況由于城市主要街道入口與來流夾角較小,橋址區(qū)前方?jīng)]有建筑物的遮擋而形成街道峽谷風(fēng),使平均風(fēng)速增大,而180°工況由于地表建筑物的拖曳作用,在無量綱高度為0.35下風(fēng)速減小,當無量綱高度大于0.35時,風(fēng)速剖面重現(xiàn)出指數(shù)率剖面;90°和270°工況下,平均風(fēng)速均小于來流風(fēng)速,說明山體遮擋作用下橋址區(qū)為平均風(fēng)速的減速區(qū)域.

(a)0°工況 (b)180°工況

山體典型位置的平均風(fēng)速剖面變化,如圖7所示.圖7中:s為測點到山體邊緣的距離.兩座山體背風(fēng)面及迎風(fēng)面山腳處均為平均風(fēng)速的減速區(qū)域.當不同山體前后排列時,山腳處的平均風(fēng)速減速效果不同.海拔較高、坡度較陡的山體正對來流時,山頂風(fēng)速的急劇增大,導(dǎo)致270°工況下山腳處的平均風(fēng)速均大于90°工況下山腳處的平均風(fēng)速.

(a)270°工況 (b)90°工況

為了量化平均風(fēng)速剖面與入流風(fēng)速剖面的變化,利用最小二乘法擬合不同風(fēng)向角(θ)下的風(fēng)速剖面指數(shù)(λ),結(jié)果如表1所示.由表1可知:在地形和建筑物影響下,風(fēng)速剖面指數(shù)均不滿足規(guī)范要求,該橋址區(qū)地表粗糙度類型更接近C類地表;0°,90°,180°和270°工況的風(fēng)速剖面指數(shù)變化最為明顯,0°和180°工況的風(fēng)速剖面指數(shù)增大分別受街道峽谷風(fēng)和地表建筑物拖曳作用的影響,90°和270°工況的風(fēng)速剖面指數(shù)變化是受山體影響.

按照國家疾病ICD-10分類標準進行死因調(diào)查及填寫,育齡期死亡婦女具體資料采取EXCEL表格實施匯總和統(tǒng)計。

表1 不同風(fēng)向角下的風(fēng)速剖面指數(shù)

1.3.3 復(fù)雜下墊面影響下的湍流度 湍流度反映脈動風(fēng)對行人風(fēng)環(huán)境的影響.對橋址區(qū)湍流度進行監(jiān)測,不同風(fēng)向角的湍流度剖面,如圖8所示.

由圖8可知:0°和180°工況下,當無量綱高度小于0.6時,其湍流度均大于來流風(fēng)場的湍流度,原因是試驗?zāi)P透淖兞说乇泶植诙?,增大了湍流度?80°工況下出現(xiàn)湍流剪切區(qū)域,考慮為建筑群較大且較密集,導(dǎo)致高湍流度的出現(xiàn);山體影響下,90°和270°工況下,橋址區(qū)均為湍流的放大區(qū)域.

(a)0°工況 (b)180°工況

不同風(fēng)向角下的湍流度剖面指數(shù)(α),如表2所示.由表2可知:受地形和建筑物影響,湍流度剖面指數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的B類地表粗糙度指數(shù);山體影響下的湍流度變化最為明顯,因此,在研究人行橋橋址風(fēng)環(huán)境變化時,必須考慮地表粗糙的影響.

表2 不同風(fēng)向角下的湍流度剖面指數(shù)

2 三參數(shù)超越閾值概率評估

2.1 人行橋風(fēng)環(huán)境評價指標

基于不同的行人風(fēng)環(huán)境評價標準,根據(jù)行人步行活動狀態(tài)進行行人高度風(fēng)環(huán)境評價標準統(tǒng)計,如表3所示.表3中:vTHR為風(fēng)速閾值;Pexc為超越閾值概率.行人的步行狀態(tài)可分為漫步、正常行走、目的性行走3類.對橋面行人高度風(fēng)環(huán)境的評價也從3類步行狀態(tài)展開.

表3 行人高度風(fēng)環(huán)境評價標準

利用超越閾值概率法評估橋面人行高度風(fēng)環(huán)境,若滿足Pexc≤Pcom,Pcom為相應(yīng)標準中規(guī)定的概率值,則認為該區(qū)域的行人風(fēng)環(huán)境滿足舒適度要求.

基于超越閾值概率的風(fēng)環(huán)境評價方法需要滿足2個條件:研究區(qū)域的風(fēng)場分布規(guī)律和當?shù)爻D觑L(fēng)向風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù).根據(jù)不同風(fēng)向的風(fēng)速概率分布確定超越閾值概率計算的相關(guān)參數(shù).研究區(qū)域的風(fēng)速概率分布采用Weibull分布擬合,確定尺度參數(shù)和形狀參數(shù)以計算Pexc,計算式為

(2)

式(2)中:cθ和kθ分別為Weibull分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù);Aθ為該風(fēng)向角出現(xiàn)的頻率.

2.2 超越閾值概率的參數(shù)估計優(yōu)化

利用Weibull分布對廈門市59134氣象站點2011年1月至2020年9月逐小時風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)進行擬合.Weibull參數(shù)估計結(jié)果,如表4所示.表4中:vmean為氣象平均風(fēng)速;γθ為位置參數(shù).

表4 Weibull參數(shù)估計結(jié)果

由表4可知:采用兩參數(shù)和三參數(shù)Weibull分布擬合時,SW和W風(fēng)向下的尺度參數(shù)和位置參數(shù)不同,其余風(fēng)向下的尺度參數(shù)和位置參數(shù)均相同.

位置參數(shù)的作用是使擬合函數(shù)左右平移,因此,位置參數(shù)會影響不同風(fēng)速的擬合程度.選取SW風(fēng)向?qū)Σ煌骄L(fēng)速的實際概率分布與兩參數(shù)Weibull、三參數(shù)Weibull擬合概率分布進行對比,結(jié)果如表5所示.由表5可知:利用三參數(shù)Weibull擬合概率分布值與實際下墊面影響得到的風(fēng)速概率分布更接近,三參數(shù)Weibull擬合誤差比兩參數(shù)擬合誤差小38.74%.因此,對SW和W風(fēng)向的概率分布采用三參數(shù)Weibull擬合,以增加行人風(fēng)環(huán)境評估的準確性.

表5 概率分布對比

根據(jù)該現(xiàn)象引入三參數(shù)計算的超越閾值概率Pexc計算公式[18],即

(3)

2.3 不同步行狀態(tài)下的評價結(jié)果

(4)

橋址區(qū)風(fēng)速閾值vTHR與氣象站點風(fēng)速vO,i,THR之間的關(guān)系式為

(5)

將式(5)代入式(2),(3)中,得到該區(qū)域全風(fēng)向風(fēng)速超越閾值概率,即

(6)

針對行人在橋面不同的步行狀態(tài),不同評價標準對滿足舒適度超越閾值概率的臨界值不同,因此,引入超越閾值概率的相對系數(shù)p,即

p=Pexc,i/Pcom.

(7)

式(7)中:Pexc,i為測點i的全風(fēng)向超越閾值概率.

將不同評價標準下的各測點全風(fēng)向超越閾值概率進行統(tǒng)一,其相對系數(shù),如表6所示.表6中:p1~p9分別為測點1~9的全風(fēng)向超越閾值概率的相對系數(shù).由表6可知:Isyumov and Davenport標準對行人舒適度的要求最嚴格,其余標準的下橋面行人風(fēng)環(huán)境均滿足舒適度要求;位于橋面起點和終點附近處的測點1,2,8,9的超越閾值概率相對系數(shù)較小,這是由于山體地形對風(fēng)速的阻擋降低了風(fēng)速比的大小,提高了橋面兩端位置處的舒適度;跨中位置處的超越閾值概率約為橋址兩端超越閾值概率的兩倍,主要原因是跨中位置受街道風(fēng)加速效應(yīng)明顯,因此,在橋面跨中位置需要防范街道峽谷風(fēng)給行人帶來的不舒適感.

表6 各測點全風(fēng)向超越閾值概率的相對系數(shù)

3 結(jié)論

利用風(fēng)洞試驗研究復(fù)雜下墊面影響的橋址區(qū)行人風(fēng)環(huán)境,并利用三參數(shù)超越閾值概率對行人舒適度進行評價,得到以下3個結(jié)論.

1)下墊面改變了橋址區(qū)的地表類型,試驗得到的風(fēng)速和湍流度剖面指數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的C類地表值;行人風(fēng)速比受不同下墊面影響,表現(xiàn)出街道峽谷風(fēng)加速、建筑物拖曳作用和山體減速效應(yīng)明顯.

2)三參數(shù)Weibull分布擬合結(jié)果與真實下墊面中氣象站點得到的風(fēng)速概率分布相接近,相比兩參數(shù)Weibull分布,其擬合誤差減小了38.74%.

3)城市下墊面中山體的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)速減小,增加了行人在山腳處的步行舒適度;受城市街道風(fēng)加速效應(yīng)影響,橋面跨中處超越閾值概率約為橋址起點和終點值的兩倍.在實際工程建設(shè)中,需要防范橋面跨中處可能引發(fā)的行人風(fēng)環(huán)境不舒適感,可以通過在橋面跨中位置設(shè)計擋風(fēng)屏障降低行人風(fēng)環(huán)境不舒適感.

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