东南沿海近程台风登陆过程近地面脉动特性实测分析

东南沿海近程台风登陆过程近地面脉动特性实测分析

0脉动风特性的实测与分析随着建筑结构的发展，结构风致响应在整个负荷响应中的比例日益增加，有时也是结构设计的控制问题。工程领域中,通常采用平均风与脉动风叠加计算风荷载,其中,脉动风作为风荷载中引起结构动力响应的部分,通常采用阵风因子、紊流度等表征。目前,在土木工程抗风设计领域中对良态风的脉动特性的研究较多,由于台风的产生机理有别于良态风,台风作用下的脉动风特性也不同于良态风作用下的脉动风特性,因此,应对台风作用下的脉动风荷载进行实测和统计分析。尽管国内外学者对台风及其风特性实测进行了大量研究,但是由于风场特性现场实测中所需人工和物力消耗大、测试周期长,难以获得有效数据,同时,由于台风具有地域性和强变异性,对于台风近地脉动风特性的研究有待深入。Choi由以上文献中的分析可知,台风作用下和良态风作用下的风场脉动风特性存在很大差异。为此,本文作者利用浙江台州海域东海塘观测塔(120m高,地处东海强台风主要登陆地之一),选择发生时间相近,并对我国东南沿海一带产生较大影响的3次强台风过程,即海棠(Haitang0505)、麦莎(Matsa0509)和卡努(Khanun0515),对其登陆时段距地面不同高度处脉动风速记录数据进行分析,基于概率统计算法对近地台风的阵风因子和紊流度的概率分布进行研究,并将实测结果与规范建议值以及Sharma等1采样过程及样本记录情况东海塘观测塔位于东经121.6°,北纬28.4°,地处东海塘海湾平原地区(海拔高度20m),距浙江省温岭市松门镇东北约5km。观测塔周边地形为开垦农田和沿海滩涂,按照JTG/TD60-01—2004《公路桥梁抗风设计规范》,东海塘测风塔周边地形属于A类场地,如图1所示。观测塔高120m,在其10、30、50、60、70m高度处布置测风设备。采用Nomad系列机械轴测式风速记录仪,可在温度-55~60℃范围内,长时间稳定、可靠工作。观测塔记录的3次台风都发生于2005年下半年。台风海棠(Haitang0505)于2005年7月13日20:00在关岛东北洋面上加强成为强热带风暴,14日14:00发展成为台风,近中心最大风速65m/s,最低气压910hPa,18日8:00在台湾花莲登陆,19日17:10在福建省福州市连江县黄岐镇再次登陆;台风麦莎(Matsa0509)于2005年7月31日20:00在菲律宾以东洋面上生成,8月3日2:00加强为台风,近中心最大风速45m/s,最低气压950hPa,6日3:40在浙江省台州市玉环县登陆;台风卡努(Khanun0515)于2005年9月7日0:00在菲律宾以东的西北太平洋洋面由热带低气压升级为热带风暴,8日加强为台风,近中心最大风速50m/s,最低气压945hPa,11日14:50在浙江省台州市路桥区金清镇登陆。3次台风样本记录情况见表1。台风海棠、麦莎和卡努的路径及台风风速样本记录区间如图2所示。由表1和图2可知,台风海棠的中心路径距离东海塘观测塔较远,最短距离为301.8km,而台风麦莎和卡努的中心路径较东海塘观测塔较近,最短距离分别为38.2km和9.5km。2测量结果和分析2.1紊流度和阵风因子紊流度反映了脉动风的相对强度,通常定义为平均时距10min的脉动风速的样本标准差σ式中,I阵风因子表示平均时距内最大阵风风速与相应平均风速的比值,通常定义为阵风持续时间的最大阵风风速与平均时距10min的平均风速的比值,即式中:G根据式(1)、(2),以各时刻顺风向脉动风速的风向为主导风向,计算得到台风海棠、麦莎和卡努的样本记录时间内的紊流度和阵风因子时程,见图3~5。从图3~5中可以看到,台风海棠、麦莎和卡努的顺风向紊流度和阵风因子均随高度的增加而减小。由图3可见,对于距离东海塘观测塔较远的台风海棠,其样本记录时间内的顺风向紊流度和阵风因子在不同高度处的取值差异较小,且其随时间历程变化规律不明显,也与台风是否登陆无关。而由图4和图5可见,对于距离东海塘观测塔较近的台风麦莎和卡努,其不同高度处的顺风向紊流度和阵风因子与登陆状态有关,即台风登陆前,10m高度处顺风向紊流度和阵风因子的总体取值和紊乱程度与30m高度及以上的取值情况差异明显,而台风登陆后,不同高度处的紊流度和阵风因子相差较小。2.2极值分布类型根据JTG/TD60-01—2004《公路桥梁抗风设计规范》(以下简称《桥规》)、GB50009—2012《建筑结构荷载规范》、ANSI/ASCEStandard7-95式中,μ为位置参数,σ为尺度参数,ε为形状参数。当改变形状参数ε时,可获得不同的极值分布类型。当ε>0,F(x;μ,σ,ε)为位置参数等于μ-σ/ε、尺度参数等于σ/ε的极值Ⅱ型分布(Frechet分布);当ε=0,F(x;μ,σ,ε)为位置参数等于μ、尺度参数等于σ的极值Ⅰ型分布(Gumbel分布);当ε<0,F(x;μ,σ,ε)为位置参数等于μ-σ/ε、尺度参数等于-σ/ε的极值Ⅲ型分布(Weibull分布)。其概率密度函数为2.2.1紊流度采用广义极值分布函数和极大似然参数估计法,获得东海塘观测塔在10、30、50、60、70m高度处的3次台风作用下的顺风向紊流度广义极值分布概率密度函数拟合曲线,见图6。从图6可知,采用极大似然参数估计法得到广义极值分布概率密度函数的形状参数ε均大于0,即东海塘观测塔不同高度的3次台风实测紊流度概率分布均服从极值Ⅱ型(Frechet分布)。根据统计结果可知,紊流度的均值随高度的增加而减小,而集中程度随高度的增加而提高。紊流度广义极值分布概率密度函数在50m高度以上变化不明显。基于东海塘测风塔实测台风风速,获得3次台风近地面不同高度顺风向紊流度的均值,并与《桥规》以及Sharma等式中,I由图7可见,对于A类场地,台风实测顺风向紊流度随高度的衰减比《桥规》计算结果要快;近地面20m高度内台风气候条件下的紊流度大于《桥规》规定的阵风因子取值0.14,20m高度以上的紊流度小于《桥规》规定的取值。但此次统计结果与文献[7]中给出的台风多发区紊流度修正结果相比,均明显偏小。可见,基于概率统计的台风多发区紊流度取值相对于取实测数据均值作为抗风设计的参考值更安全、可靠。2.2.2阵风因子采用广义极值分布函数和极大似然参数估计法,获得东海塘观测塔在10、30、50、60、70m高度处的顺风向阵风因子广义极值分布概率密度函数拟合曲线见图8。从图8可知,采用极大似然参数估计法得到广义极值分布概率密度函数的形状参数ε都大于0,因此东海塘观测塔不同高度的顺风向阵风因子概率分布均服从极值Ⅱ型分布(Frechet分布)。根据统计结果,顺风向阵风因子的均值随高度的增加而减小,而集中程度随高度的增加而提高,概率密度函数在50m高度以上变化逐渐变得不明显。与紊流度统计结果相似。基于东海塘测风塔实测台风风速,可以获得3次台风近地风特性顺风向阵风因子不同高度的平均值,并与《桥规》以及Sharma等式中,G由图9可知,A类场地条件,近地面40m高度内台风气候条件下的阵风因子大于《桥规》规定的阵风因子取值1.29,近地面40m高度以上的取值小于《桥规》规定的,可见,将不同高度处的阵风因子取为常量与实际阵风因子取值有差异,因此,设计时宜计入高度对阵风因子的影响。另外,此次统计结果与文献[7]中给出的台风多发区阵风因子取值修正结果相比,均明显偏小。可见,作为抗风设计的风特性参考值,台风多发区阵风因子基于概率统计取值较均值取值更安全、可靠。2.2.3台风的高度和高度比较以上3次台风过程以及图7和图9中台风顺风向紊流度和阵风因子不同高度处的实测结果,可以看到,阵风因子和紊流度都有随高度增加而减小的趋势。Sharma等其中,拟合参数a介于0.83~1.15之间,b取值为2.67~2.73,分别比Sharma等在澳大利亚A类场地给出的台风多发区换算系数小38.1%和27.1%。这是因为,一方面台风地域性特点显著;另一方面是台风在东南沿海登陆时已处于衰减阶段,风场参数总体上更加趋向良态风作用的结果。3紊流度和阵风因子1)台风历经过程中,A类场地顺风向紊流度和阵风因子随高度的增加而减小。远程台风以及近程台风登陆后不同高度处顺风向紊流度和阵风因子差异较小,而近程台风登陆前10m高度处顺风向紊流度和阵风因子与其他高度的差异较大。2)台风作用下A类场地,近地面20m高度内顺风向紊流度以及40m高度内顺风向阵风因子的实测均值大于规范值,20m高度以上顺风向紊流度以及40m高度