台风梅花影响下近地脉动风特性的研究

台风梅花影响下近地脉动风特性的研究

近海岸边风特性实测研究据统计，世界每年的风灾损失超过100亿美元，其中50%以上的房屋受损。在估算风对结构的作用力时,只有当风特性参数模型得到准确的定义,风荷载计算才有较高的精度本文对台风“梅花”作用下上海浦东近海岸边风特性进行了全程监测记录,分别获得了10m、20m、30m及40m高度处的实测数据。通过对台风过程中湍流度、阵风因子、峰值因子等参数的统计分析,可为今后结构抗强风设计提供参考。1测量总结1.1中心风力企业更2011年7月28日14时,第9号热带风暴“梅花”在西北太平洋洋面上生成,中心位于北纬11.7°、东经135.0°,中心附近最大风力8级,最低气压99.8kPa。随后两度升级为超强台风,6日15时在东海海面减弱为台风,7日21时减弱为强热带风暴,8日17时减弱为热带风暴。1.2风速采集设备格构式测风塔全高40m,风速仪分别位于10m、20m、30m和40m高度处,每一高度处分别在东南和西北方向各安装一只,测风塔实物及周边环境见图1所示。由于风速采集设备及安装等详细信息已在文献[6]中给出,为节省篇幅,本文不再加以累述。经验证,同一高度处两只风速仪实测数据吻合较好,因此后文只采用三维超声风速仪实测数据进行分析,其他类型风速仪所记录数据只作相应的补充与校对。2风场特征的研究2.1阶跃函数,积极主动三维超声风速仪可直接同步测量三个正交方向上的分量,记为u式中:step(·)表示阶跃函数。纵向脉动风速u(t)、横向脉动风速v(t)及竖向脉动风速w(t)的计算公式为:2.2流度湍流强度是衡量湍流强弱的相对指标,定义为:式中:σ2.3矩阵矩阵因素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,计算公式为:式中:2.4峰因子和阵风因子相似,峰值因子也用以表征脉动风的瞬时强度,表达式为:式中:3测量数据分析3.1平均风速和风速按照我国规范3.2平均风速和平均湍流强度图3给出了不同实测高度得到的各向湍流度随平均风速的变化关系。图中显示,各向湍流度随实测高度的增大而减小,而相同高度处各向湍流度随平均风速的变化趋势基本一致。总体上湍流强度随平均风速的增大而减小,当平均风速小于10m/s时,湍流强度随平均风速减小的趋势较为明显,但当平均风速大于10m/s后,各向湍流度随平均风速增大而减小的趋势不明显。表2分别给出了10m、20m和40m高度处各向湍流度之间的比值和国内外已有的实测研究结果。本文试验中不同高度处横向与纵向湍流度的比值在0.7附近,与Solari&Piccardo3.3阵风因子与平均风速的关系图4反映了当阵风持续时距为3s时,纵向、横向及竖向阵风因子随10min平均风速的变化关系。可以明显看到,各向阵风因子随平均风速的增大而减小。平均风速小于12m/s时,变化减小速率较快;而平均风速大于12m/s时,减小趋势不甚明显。另外,为分析阵风因子随观测高度的变化关系,在表3中分别给出了不同高度处各向阵风因子的算数平均值。从表中可见,各向阵风因子均随高度的增大而减小。3.4阵风因子与相应湍流度的关系利用统计方法建立湍流度和阵风因子之间的函数关系一直是风工程领域所关注的问题。很多学者均对此进行过研究,总结得到了函数的一般表达形式:式中:T为平均风时距;t为阵风持续时距;a、b为待定参数。Ishizaki除纵向外,对横向和竖向阵风因子与相应湍流度之间的关系也进行了研究,在这方面国内外的研究成果还相对缺乏。图6表现了横向阵风因子与相应湍流度之间的变化关系。和纵向相同,横向阵风因子会随相应湍流度的增大而增大,较低高度处不同风向区间内横向阵风因子与相应湍流度之间同样呈现出明显不同的变化规律。图中明显可见,20m高度处阵风因子与湍流度表现为非线性关系,因此对其进行了形如G图7显示了竖向阵风因子与相应湍流度之间的变化关系。由于受地表的影响较大,10m高度处湍流度随阵风因子的变化规律不明显。在阵风因子小于0.1的时段,20m高度处湍流度随阵风因子的增大而减小;但在阵风因子大于0.1的时段,湍流度随阵风因子的增大而增大,并且两者表现为一定的线性关系。在40m高度处,湍流度基本上不随阵风因子变化,湍流度均值约为0.074。3.5平均风速、阵风时距图8表示不同高度处阵风持续时距为3s时,峰值因子随10min平均风速的变化情况。可以看出,各高度处峰值因子随平均风速的变化不明显。10m、20m和40m高度的各时段峰值因子的均值分别为2.21、2.12和2.00。已有研究表明,当阵风持续时距取值不同时,相应的峰值因子也会变化。1960年,Durst4阵风因子与湍流度的关系利用风速仪对台风“梅花”作用下上海浦东近海岸边风速、风向等信息进行了全程监测记录。通过对台风过程中湍流度、阵风因子、峰值因子等参数的统计分析,主要结论如下:(1)各向湍流度随实测高度的增大而减小,但相同高度处各向湍流度随平均风速的变化趋势基本一致。在风速小于10m/s时,湍流强度随平均风速减小的趋势较为明显,但当平均风速大于10m/s后,各向湍流度随平均风速增大而减小的趋势不明显。(2)各向阵风因子随平均风速的增大而减小。平均风速小于12m/s时,变化减小速率较快;而平均风速大于12m/s时,减小趋势不甚明显。此外,各向阵风因子均随高度的增大而减小。(3)基于实测数据研究了纵向阵风因子与湍流度之间的变化关系,发现Ishizaki建议的经验计算结果均较本实测结果偏大,而Choi经验计算结果与本实测结果相对符合较好。基于式(10)对纵向阵风因子与湍流度的关系进行了拟合,并给出了最佳的拟合参数。另外,对横向和竖向阵风因子与相应湍流度之间的关系也进行了研究,并对相关结果进行了回归分析。(4)各高度3s阵风持续时距下,峰值因子随