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土木工程相關(guān)之近地臺風(fēng)性能觀測分析
第1章緒論
1.1課題背景
臺風(fēng)是發(fā)源于緯度5-200之間熱帶海洋上的具有巨大破壞性的一種天氣系統(tǒng)，是強(qiáng)災(zāi)害性天氣之一。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風(fēng)次數(shù)最多、強(qiáng)度最大的一個(gè)海區(qū)，平均每年有28個(gè)臺風(fēng)生成，約占全球臺風(fēng)總數(shù)的1/3。影響我國的熱帶氣旋都發(fā)生在西北太平洋的熱帶洋面上(包括中國南海)，在離開源地后向偏北、西北、偏西或東北方向移動，并逐漸加強(qiáng)，其中大部分可達(dá)到臺風(fēng)的強(qiáng)度，因此，我國極易遭受臺風(fēng)的襲擊，是世界上少數(shù)遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國登陸的臺風(fēng)大約占整個(gè)西北太平洋臺風(fēng)總數(shù)的35%，平均每年有7-8個(gè)臺風(fēng)正面登陸我國沿海，影響范圍包括東南沿海各省份，有時(shí)候甚至深入內(nèi)陸 1500km[2]。
1.2本課題研究的目的及意義
風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)的一種典型的動力荷載，其對建筑結(jié)構(gòu)物的作用效果是由風(fēng)特性決定的。與建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載直接相關(guān)的風(fēng)特性主要有:平均風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、峰值因子、湍流積分長度和脈動風(fēng)速譜等[3]。這些風(fēng)特性是由大氣運(yùn)動中動量、熱量、水分等的輸送與平衡以及邊界層的摩擦等因素所決定的[4]。不同尺度、不同類型的天氣過程，它的驅(qū)動因素和運(yùn)動特征是不一樣的[5]�，F(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載的平均風(fēng)和脈動風(fēng)特性大部分是根據(jù)季候風(fēng)的研究結(jié)果得到的，由于在季候風(fēng)中，大氣運(yùn)動中動量、熱量、水分等的運(yùn)輸與平衡與臺風(fēng)有顯著的差別，所以季候風(fēng)特性與臺風(fēng)的風(fēng)特性有顯著的差別險(xiǎn)。
隨著我國經(jīng)濟(jì)日新月異的發(fā)展，在越來越多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)建起了許多超高層建筑，例如上海的金茂大廈、深圳的地王大廈等。這些超高層建筑大部分由輕質(zhì)高強(qiáng)的材料所組成，這就導(dǎo)致現(xiàn)在的這些建筑比過去的建筑更柔、更輕、阻尼更小，從而對強(qiáng)風(fēng)作用下的動荷載反應(yīng)也越來越敏感，因此對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對結(jié)構(gòu)在使用階段可能遇到的風(fēng)荷載情況以及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)做出更準(zhǔn)確的估算和采取更有效的措施。與季候風(fēng)相比臺風(fēng)特性不同，所以臺風(fēng)作用在建筑結(jié)構(gòu)上引起的作用效果也會有所不同。對臺風(fēng)湍流特性與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行理論分析，能夠使我們更加清楚地認(rèn)識到臺風(fēng)特性對建筑結(jié)構(gòu)特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的影響，同時(shí)也為這些建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)致振動估計(jì)提供依據(jù)和參考。
1.3風(fēng)特性觀測國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
1940年，當(dāng)時(shí)規(guī)模居世界第三的塔科馬大橋，在只有19m/S的風(fēng)速下，橋析發(fā)生了塌落，這一事件震驚了土木工程界，也拉開了風(fēng)工程研究的序幕，自此之后，各國學(xué)者紛紛加入到風(fēng)工程研究的行列中來，并且取得了一些成績[9]。風(fēng)特性資料的獲取是風(fēng)工程研究的基礎(chǔ)工作，基于實(shí)測資料的分析才具有實(shí)際意義。風(fēng)特性資料的獲取主要的途徑就是進(jìn)行風(fēng)場的現(xiàn)場觀測，為此，國內(nèi)外的學(xué)者做了大量的工作。
1.3.1國外研究發(fā)展?fàn)顩r
Dvaneport對于風(fēng)工程的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)，他通過對世界上不同地點(diǎn)、不同高度測得的90多次強(qiáng)風(fēng)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為水平脈動風(fēng)速譜中，湍流尺度沿高度是不變的，并提出了著名的Dvaneport譜，并為多個(gè)國家的抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范所應(yīng)用。他還提出了梯度風(fēng)高度指數(shù)律模型和地面粗糙度等概念，描述了3種不同的地形類別，為風(fēng)工程的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Harrsi在位于水平地形、并且有較少的障礙物的Rugby通訊站進(jìn)行4個(gè)不同高度的測量。 Devaes和HarriS在cadringtno進(jìn)行了觀測，提供了關(guān)于風(fēng)剖面、風(fēng)速譜和湍流強(qiáng)度隨著高度和積分尺度變化而變化的相關(guān)結(jié)論，他們的研究表明，積分尺度是地形粗糙度的函數(shù)。Duchnee Maurallz在Nnaets地區(qū)進(jìn)行了一系列的研究，他安放了3個(gè)相互獨(dú)立的桅桿，在每個(gè)桅桿上，分別在10m、20m、40m和60m的高度上安裝了風(fēng)速儀[l4]。針對2次大風(fēng)的測量結(jié)果，他們計(jì)算了陣風(fēng)因子、湍流積分長度、脈動風(fēng)速譜、摩擦速度和地面粗糙度高度等指標(biāo)。結(jié)果表明，風(fēng)速剖面的范圍在0.3-0.36之間，地面粗糙度高度在1.2m到1.65m之間，摩擦速度在1.6m/S到2.2m/s之間，湍流強(qiáng)度的隨著高度的增加而減小，從 10m高度時(shí)的0.3減小到60m高度時(shí)的0.2，湍流積分長度隨著高度也有一定規(guī)律的變化，他們所得到的結(jié)果和HarriS所得到的結(jié)果有相似的規(guī)律，但是，當(dāng)把風(fēng)速剖面0.3-0.36考慮在內(nèi)時(shí)，在60m高度得出的積分尺度是190m而不是300m，風(fēng)速譜和Dvaneport提出的風(fēng)速譜有相同的形式。Mackey在香港的D Augalir也做了大量的強(qiáng)風(fēng)特性觀測工作，在香港東南方向頂端的海灘上有一個(gè)10層樓高的實(shí)驗(yàn)場所，他在高度分別為13m、28m、43m、和61m 的位置安裝了風(fēng)速儀。Machye和Choi報(bào)告了在5個(gè)臺風(fēng)期間測得的結(jié)果，在風(fēng)速從10m/S到40m/s變化時(shí)，平均風(fēng)剖面的值保持在0.19，然而對于陣風(fēng)剖面，發(fā)現(xiàn)存在時(shí)間延遲。同時(shí)還繪制了在臺風(fēng)風(fēng)速最大情況下垂直風(fēng)剖面，擬合風(fēng)剖面瞬間值表明是不斷變化的(從0.08變化到0.4)。盡管分析自相關(guān)函數(shù)存在問題，但是湍流積分長度還是和Rugby的測量結(jié)果比較吻合。
第2章臺風(fēng)特性觀測
2.1引言
臺風(fēng)是強(qiáng)災(zāi)害性氣候之一，常常會給人民生產(chǎn)生活帶來巨大的損失。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風(fēng)次數(shù)最多、強(qiáng)度最大的一個(gè)海區(qū)，由于臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)及其所處的環(huán)境流場決定了西北太平洋臺風(fēng)具有向西北方向移動的特性，所以我國是世界上少數(shù)的遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。近年來，隨著科學(xué)的進(jìn)步、文明的發(fā)展，我國各種超高層、超大跨度建筑逐年增多，這些結(jié)構(gòu)變得更輕更柔，使得風(fēng)荷載成為其主要的側(cè)向荷載，從而對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，風(fēng)特性特別是臺風(fēng)特性的研究也越來越受到工程界的重視。對臺風(fēng)特性現(xiàn)場實(shí)測是研究臺風(fēng)特性的基礎(chǔ)工作，是獲取臺風(fēng)特性資料的基本手段。本章將介紹作者所完成的兩項(xiàng)實(shí)測工作，分別是2005年8月13日對第10號臺風(fēng)“Snavu”進(jìn)行現(xiàn)場觀測;在2005年8月至10月期間，在地王大廈樓頂架設(shè)三維超聲風(fēng)速儀和二維螺旋槳風(fēng)速儀，測量城市中心臺風(fēng)過程中的風(fēng)特性時(shí)程。
2.2風(fēng)特性觀測的儀器設(shè)備
風(fēng)特性觀測主要的儀器設(shè)備是風(fēng)速記錄觀測儀器。隨著傳感、數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸以及儀器制造等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)速儀也出現(xiàn)了巨大的變化，先后出現(xiàn)了風(fēng)壓板、風(fēng)杯風(fēng)速儀、螺旋槳風(fēng)速儀、超聲風(fēng)速儀和雷達(dá)測速儀等。這些不同的儀器由于傳感原理的限制，有不同的準(zhǔn)確度和精確度，所記錄的脈動風(fēng)特性也有很大的差別。為了充分利用各個(gè)風(fēng)速儀的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)的目的，本課題組在實(shí)際風(fēng)特性觀測中同時(shí)使用超聲風(fēng)速儀和螺旋槳風(fēng)速儀。
第3章 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的臺風(fēng)特性分析..................... 28-74
3.1 引言..................... 28
3.2 臺風(fēng)數(shù)據(jù)的背景資料 ..................... 28-32
3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理..................... 32-36
3.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法 .....................33-34
3.3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)處理 .....................34-36
3.4 平均風(fēng)速及風(fēng)向..................... 36-42
3.5 湍流強(qiáng)度 .....................42-45
3.5.1 湍流強(qiáng)度定義及算法..................... 42
3.5.2 實(shí)測數(shù)據(jù)湍流強(qiáng)度分析..................... 42-45
3.6 湍流積分長度 .....................45-60
3.7 脈動風(fēng)速譜..................... 60-72
3.8 本章小結(jié)..................... 72-74
第4章 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的脈動風(fēng)速譜擬合..................... 74-82
4.1 引言..................... 74
4.2 脈動風(fēng)速功率譜擬合原理 .....................74-75
4.3 基于實(shí)測數(shù)據(jù)脈動風(fēng)速譜擬合..................... 75-81
結(jié)論
臺風(fēng)一種具有巨大破壞性的天氣系統(tǒng)，是強(qiáng)災(zāi)害性天氣之一，它的驅(qū)動因素和運(yùn)動特征與常態(tài)風(fēng)有很大差別，所引起的風(fēng)效應(yīng)也與常態(tài)風(fēng)不一樣。本文基于實(shí)測記錄的臺風(fēng)數(shù)據(jù)，分析了臺風(fēng)平均風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、湍流積分長度和脈動風(fēng)速譜等風(fēng)特性，得到了以下主要結(jié)論:
(1)論文作者在城市中心的超高層建筑結(jié)構(gòu)頂部以及沿海岸的近臺風(fēng)登陸點(diǎn)設(shè)置了臺風(fēng)要素觀測記錄設(shè)備，可以長時(shí)間觀測記錄風(fēng)要素，為本文的進(jìn)一步研究積累了數(shù)據(jù);
(2)典型強(qiáng)臺風(fēng)“Damrye”過程記錄數(shù)據(jù)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均風(fēng)攻角由臺風(fēng)接近觀測點(diǎn)過程中的負(fù)攻角轉(zhuǎn)變?yōu)榕_風(fēng)遠(yuǎn)離觀測點(diǎn)過程中的正攻角，該風(fēng)攻角對于大跨度空間結(jié)構(gòu)和大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)是非常不利的。
(3)十分鐘持時(shí)的縱向湍流強(qiáng)度在0.132-0.230之間(對應(yīng)平均風(fēng)速大于10m/S)，大于一般常態(tài)風(fēng)的相應(yīng)建議值，湍流強(qiáng)度隨著平均風(fēng)速的增大而減小規(guī)律十分明顯;十分鐘的橫向湍流強(qiáng)度在0.085-0.219之間(對應(yīng)平均風(fēng)速大于10m/s)。
(4)本文提出的改進(jìn)自相關(guān)函數(shù)法的計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定;利用改進(jìn)自相關(guān)函數(shù)法計(jì)算得到各臺風(fēng)過程的縱向湍流積分長度平均值在102-249m之間，變異系數(shù)(一個(gè)臺風(fēng)過程中)在0.302-0.531之間，計(jì)算得到的橫向湍流積分長度在65-116m之間，變異系數(shù)在0.248-0.857之間;湍流積分長度具有隨平均風(fēng)速的增大而增大的趨勢。
(5)實(shí)測縱向脈動風(fēng)速譜與vonKamrna譜吻合較好;而且基于各向同性理論由VonKarmna縱向譜推導(dǎo)出的橫向和豎向脈動風(fēng)速譜也與實(shí)測譜吻合較好，說明各向同性湍流理論在臺風(fēng)風(fēng)場中是適用的。
(6)基于Kolmgorove理論，利用脈動風(fēng)功率譜的統(tǒng)一形式推導(dǎo)了vonKamrna譜和Dvaneport譜的對應(yīng)形式，利用同一地點(diǎn)的三個(gè)臺風(fēng)過程數(shù)據(jù)，對兩種譜形式進(jìn)行了參數(shù)擬合;擬合之后的VonKarmna譜和Dvaneport譜與實(shí)測譜均吻合較好，吻合程度遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的 VonKarmna譜和Dvaneport譜，說明該兩種譜形式都適合于描述臺風(fēng)的脈動風(fēng)速譜，只是對應(yīng)的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)譜不一樣;不同臺風(fēng)過程所得到的擬合參數(shù)差異較大，因此，如需要?dú)w納得到通用的臺風(fēng)擬合譜，還需要大量的數(shù)據(jù)積累。
參考文獻(xiàn)
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