北京某近地风剖面风场特性实测研究

北京某近地风剖面风场特性实测研究

0国内外风场特性实测研究现状在中国的风灾损失中，低建筑物的风灾损失的比例很大。为了保证人身安全和建筑物的正常使用，保持近地面风场的特点，已成为抗风结构设计最重要的基础工作之一。获取某一地区风场特性参数最可靠的手段是现场实测。国内外对于良态风、强风天气条件下均开展过较多的现场实测研究,如Harstveit国内开展风场特性实测研究相对较晚,但近年来获得了较大的进展。庞加斌等尽管如此,对于离地10m高度范围以内的边界层风特性,由于受地表障碍物影响较大,并且已开展的研究相对较少,尚未取得诸如10m高度以上区域风场那样较为深刻的认识。如GB50009—2012《建筑结构荷载规范》1测风塔架及数据采集实测场地(如图1中红色方框处所示)位于北京市延庆县,其周边环境为北、东、南三面环山,西面开阔,呈喇叭口状,场地四周平坦,周围主要为农田,有零星房屋、树木和草地等分散障碍物,按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》如图2所示,在实测场地布设了一套15m高测风塔架,塔架距图1中东南方向山脚距离超过3km,距北方山脚距离超过13km,测风塔架共设置3层缆风绳以确保测风塔架的稳定性和风速仪的正常工作。分别选择在3.5、6.5、10.0、12.5m高度处总计布设4台YOUNG05103型机械风速仪。风速仪正北向安装,规定正北方向来风时,风向角θ为0°;正东方向来风时,风向角θ为90°,按照顺时针方向依此类推。采用64通道数据采集系统采集数据,采样频率为20Hz。其中12.5m高度处风速数据因风速仪故障,经更换风速仪后,自2011年1月10日开始数据采集。2用20in平均时距分割成子样2011年1月4日至1月15日期间,总计采样时长46h40min,对实测数据按照10min平均时距分割成子样本。为避免风时程的非平稳特性带来的分析偏差,采用轮次法对每个子样本实测风速数据进行平稳性检验,数据预处理过程中,选择显著性水平β=0.05。对于由风速仪实测得到高度z处风速大小时程序列U根据我国规范相应高度z处的顺风向脉动时程u3最大风速及平均风速根据前述轮次法对每个子样本进行平稳性检验,并按照10.0m高度处平均风速不小于5m/s的标准(大约相当于不低于4级风)对子样本进行取舍,总计得到178个有效子样本,10.0m高度处最大瞬时风速为18.61m/s。图3为1月13日11:30—14:30期间不同高度z处10min平均风速U对数律和指数律常被用来描述风速沿高度变化的规律,本文分析时采用指数律。由于我国规范表1给出了10m高度范围内平均风速U图5给出了U由于中国、美国、日本规范采用指数律描述风剖面,欧洲规范采用对数律描述风剖面,结合前述风速实测结果的稳定性叙述,现有的主要风剖面精确描述10m高度(特别是临近地表面)近地面风场略显不足。此外,与国外规范相比,GB50009—2012规范对10m高度内B类粗糙度场地的风剖面规定仍显粗略。4结构抗风设计的依据风速脉动特性为研究包括荷载和气动力特性在内的结构抗风设计提供依据。主要的脉动特性参数包括:湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、相干函数及脉动风速功率谱密度函数等。4.1近地面干扰机制湍流度I表1给出了10m高度范围内顺风向湍流度I表2列出了部分参考文献中相应的湍流度比值的均值结果。由表2结果可知,受测试高度、来流风类型(飓风、台风、季风等不同)、场地条件(海岛、内陆、山地等)、测试风速差异等因素的限制,不同条件下横风向与顺风向湍流度比值的均值存在一定的差异。表1实测结果与表2参考文献结果对比发现,本文实测结果与文献[1]、[6]、[9-13]结果接近,但略大于文献结果,原因是实测高度离地较近,近地面干扰影响较大所致。图6给出了不同高度处平均风速与顺风向、横风向湍流度的变化关系,平均风速-湍流度线性拟合结果也一并在图中示出。从图6可以看出,随着风速的增加,各高度处的顺风向、横风向湍流度呈逐渐减小的趋势。各高度处顺风向湍流度均值与高度的变化关系如图7所示。从图7可以看出,随着高度的增加,湍流度呈逐渐减小的趋势(12.5m高度处因统计样本偏少,湍流度均值较10.0m高度处结果略偏大)。图7同时还给出了不同国家规范在类似场地条件下的湍流度随高度变化的关系曲线,从图7可以看出,实测结果与类似场地条件下欧洲、美国、日本等规范湍流度取值较为接近,而与我国规范GB50009—2012建议值差异较大。为进一步与我国规范的规定进行比较,图7还给出了50年重现期条件下该场地不同高度处顺风向湍流度的预测值(根据图6a所示拟合结果推导得到)。从图7还可以看出,10m高度处我国规范建议湍流度与湍流度预计值比较接近,而随着高度的减小,我国规范取值又逐渐偏小。风的脉动强度也可采用阵风因子来表示。阵风因子G表1给出了不同高度处的阵风因子计算结果。从表1可以看出,顺风向、横风向阵风因子随着高度的增加逐渐减小,3.5、6.5、10.0m高度处顺风向阵风因子均值分别为1.664、1.498、1.434。此外,不同高度处顺风向阵风因子G图8给出了不同高度顺风向、横风向阵风因子和平均风速的变化关系。从图8可以看出,随着平均风速的增大,顺风向、横风向阵风因子呈逐渐减小的趋势。4.2平均风速、风向和推荐值对比湍流积分尺度L式中:R表1给出了10m高度范围内湍流积分尺度的统计结果。表1结果表明,10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,不同高度处变异系数较为稳定,顺风向变异系数在0.65~0.75之间,横风向变异系数较大,均超过1.00,最大可达1.14,说明近地面10m高度内障碍物对来流漩涡的影响均较大。L图9给出了不同高度处顺风向、横风向湍流积分尺度随平均风速的变化关系。从图9可以看出,顺风向、横风向湍流积分尺度表现出随平均风速增加而增大的趋势。图10给出了不同高度处顺风向湍流积分尺度均值与高度的变化关系,同时给出了类似粗糙度场地条件下依照有关国家规范推荐公式绘制的湍流积分尺度与高度的关系曲线。结合表1均值统计结果对比可以发现,本次实测结果较欧洲规范推荐值相对偏大,较美国规范推荐值相对偏小,日本规范推荐值规定在30m高度范围内为常数,实测结果较日本规范推荐值在10m高度以下相对偏小,10m高度以上相对偏大。根据文献[24]建议的湍流积分尺度计算式计算,如式(7)所示。式中,z为离地高度,取地面粗糙长度z计算得到3.5、6.5、10.0m高度处的湍流积分尺度分别为103.9、120.4、133.4m,与表1所示统计结果对比表明,计算值较实测值偏大,随着离地高度的减小,实测平均值与计算值偏离增大。4.3前测设备参数分析脉动风的相干函数是脉动风空间相关性的体现,Davenport提出了指数形式的经验计算式式中:r为风速仪之间的间距;z为风速仪所在高度;B为修正系数;C为衰减系数;n为频率;U选取最大风速子样本分析不同高度处顺风向风速的竖向相关性,结果如图11所示。从图11可以看出,n接近0时,3.5m和10.0m高度处顺风向相干函数的Coh值小于0.5,表明其相关性较差;6.5m高度和10.0m高度处顺风向相干函数值的Coh值接近1.0,表明其相关性较强。此外,将对应式(8)中的相关参数也示于图11中。选择10.0m高度处平均风速大于10m/s的40个子样本分别进行指数曲线拟合,最后平均得到场地10.0m高度范围内顺风向、横风向的衰减系数C4.4各高度处峰值频率分布脉动风速功率谱密度函数是表征脉动风速在频域内的概率分布。研究人员提出了不同的脉动风速功率谱密度函数表达式式中:S图12给出了实测得到的3.5、6.5、10.0m高度处的顺风向脉动风速功率谱密度。从图12可以看出,各高度处峰值频率相差较小,与文献[25]结论一致;但不同高度处顺风向脉动风速功率谱密度函数在各处的值相差不大,与文献[25]结论不同。图12中还同时给出了几个常用经验谱密度曲线作为对比,结果表明,与文献[3-5,10]结论不同,实测结果与常用的经验谱密度函数均有一定的差异,实测谱密度函数峰值频率较理论谱密度函数峰值的频率值偏大,在低频段实测谱密度函数值和经验谱密度函数值差异相对较小,在高频段则较经验谱密度函数值明显偏小,且随着频率增大谱密度函数值有差值增大的趋势,表明10.0m高度内惯性子区谱密度函数值与kolmogrove-5/3律5湍流积分尺度本文利用北京延庆县某一近地风剖面观测点,开展了近地风场特性的实测研究,得到以下结论:1)离地10m高度范围内的U2)随着高度的增加,湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势。实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等国相关规范湍流度取值较为接近,而与我国规范差异较大。实测横风向与顺风向湍流度的比值与相关文献实测结果接近。3)10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,且随着平均风速增大而增大。