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土木工程相關之近地臺風性能觀測分析
第1章緒論
1.1課題背景
臺風是發(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，是強災害性天氣之一。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風次數最多、強度最大的一個海區(qū)，平均每年有28個臺風生成，約占全球臺風總數的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，其中大部分可達到臺風的強度，因此，我國極易遭受臺風的襲擊，是世界上少數遭受臺風影響最嚴重的國家之一。據統計，在我國登陸的臺風大約占整個西北太平洋臺風總數的35%，平均每年有7-8個臺風正面登陸我國沿海，影響范圍包括東南沿海各省份，有時候甚至深入內陸 1500km[2]。
1.2本課題研究的目的及意義
風荷載是建筑結構的一種典型的動力荷載，其對建筑結構物的作用效果是由風特性決定的。與建筑結構風荷載直接相關的風特性主要有:平均風速風向、湍流強度、峰值因子、湍流積分長度和脈動風速譜等[3]。這些風特性是由大氣運動中動量、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，它的驅動因素和運動特征是不一樣的[5]。現行的建筑結構抗風設計規(guī)范中關于風荷載的平均風和脈動風特性大部分是根據季候風的研究結果得到的，由于在季候風中，大氣運動中動量、熱量、水分等的運輸與平衡與臺風有顯著的差別，所以季候風特性與臺風的風特性有顯著的差別險。
隨著我國經濟日新月異的發(fā)展，在越來越多經濟發(fā)達的地區(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高強的材料所組成，這就導致現在的這些建筑比過去的建筑更柔、更輕、阻尼更小，從而對強風作用下的動荷載反應也越來越敏感，因此對結構抗風設計提出了更高的要求。即在結構設計過程中應對結構在使用階段可能遇到的風荷載情況以及由此產生的結構響應做出更準確的估算和采取更有效的措施。與季候風相比臺風特性不同，所以臺風作用在建筑結構上引起的作用效果也會有所不同。對臺風湍流特性與結構響應之間的關系進行理論分析，能夠使我們更加清楚地認識到臺風特性對建筑結構特別是超高層建筑結構風振響應的影響，同時也為這些建筑結構的抗風設計和風致振動估計提供依據和參考。
1.3風特性觀測國內外發(fā)展狀況
1940年，當時規(guī)模居世界第三的塔科馬大橋，在只有19m/S的風速下，橋析發(fā)生了塌落，這一事件震驚了土木工程界，也拉開了風工程研究的序幕，自此之后，各國學者紛紛加入到風工程研究的行列中來，并且取得了一些成績[9]。風特性資料的獲取是風工程研究的基礎工作，基于實測資料的分析才具有實際意義。風特性資料的獲取主要的途徑就是進行風場的現場觀測，為此，國內外的學者做了大量的工作。
1.3.1國外研究發(fā)展狀況
Dvaneport對于風工程的研究做出了巨大的貢獻，他通過對世界上不同地點、不同高度測得的90多次強風記錄進行統計分析，認為水平脈動風速譜中，湍流尺度沿高度是不變的，并提出了著名的Dvaneport譜，并為多個國家的抗風設計規(guī)范所應用。他還提出了梯度風高度指數律模型和地面粗糙度等概念，描述了3種不同的地形類別，為風工程的研究奠定了堅實的基礎。Harrsi在位于水平地形、并且有較少的障礙物的Rugby通訊站進行4個不同高度的測量。 Devaes和HarriS在cadringtno進行了觀測，提供了關于風剖面、風速譜和湍流強度隨著高度和積分尺度變化而變化的相關結論，他們的研究表明，積分尺度是地形粗糙度的函數。Duchnee Maurallz在Nnaets地區(qū)進行了一系列的研究，他安放了3個相互獨立的桅桿，在每個桅桿上，分別在10m、20m、40m和60m的高度上安裝了風速儀[l4]。針對2次大風的測量結果，他們計算了陣風因子、湍流積分長度、脈動風速譜、摩擦速度和地面粗糙度高度等指標。結果表明，風速剖面的范圍在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，湍流強度的隨著高度的增加而減小，從 10m高度時的0.3減小到60m高度時的0.2，湍流積分長度隨著高度也有一定規(guī)律的變化，他們所得到的結果和HarriS所得到的結果有相似的規(guī)律，但是，當把風速剖面0.3-0.36考慮在內時，在60m高度得出的積分尺度是190m而不是300m，風速譜和Dvaneport提出的風速譜有相同的形式。Mackey在香港的D Augalir也做了大量的強風特性觀測工作，在香港東南方向頂端的海灘上有一個10層樓高的實驗場所，他在高度分別為13m、28m、43m、和61m 的位置安裝了風速儀。Machye和Choi報告了在5個臺風期間測得的結果，在風速從10m/S到40m/s變化時，平均風剖面的值保持在0.19，然而對于陣風剖面，發(fā)現存在時間延遲。同時還繪制了在臺風風速最大情況下垂直風剖面，擬合風剖面瞬間值表明是不斷變化的(從0.08變化到0.4)。盡管分析自相關函數存在問題，但是湍流積分長度還是和Rugby的測量結果比較吻合。
第2章臺風特性觀測
2.1引言
臺風是強災害性氣候之一，常常會給人民生產生活帶來巨大的損失。西北太平洋地區(qū)是全球發(fā)生臺風次數最多、強度最大的一個海區(qū)，由于臺風的結構及其所處的環(huán)境流場決定了西北太平洋臺風具有向西北方向移動的特性，所以我國是世界上少數的遭受臺風影響最嚴重的國家之一。近年來，隨著科學的進步、文明的發(fā)展，我國各種超高層、超大跨度建筑逐年增多，這些結構變得更輕更柔，使得風荷載成為其主要的側向荷載，從而對結構的抗風設計提出了更高的要求，風特性特別是臺風特性的研究也越來越受到工程界的重視。對臺風特性現場實測是研究臺風特性的基礎工作，是獲取臺風特性資料的基本手段。本章將介紹作者所完成的兩項實測工作，分別是2005年8月13日對第10號臺風“Snavu”進行現場觀測;在2005年8月至10月期間，在地王大廈樓頂架設三維超聲風速儀和二維螺旋槳風速儀，測量城市中心臺風過程中的風特性時程。
2.2風特性觀測的儀器設備
風特性觀測主要的儀器設備是風速記錄觀測儀器。隨著傳感、數據采集、存儲、傳輸以及儀器制造等相關技術的不斷發(fā)展，風速儀也出現了巨大的變化，先后出現了風壓板、風杯風速儀、螺旋槳風速儀、超聲風速儀和雷達測速儀等。這些不同的儀器由于傳感原理的限制，有不同的準確度和精確度，所記錄的脈動風特性也有很大的差別。為了充分利用各個風速儀的優(yōu)點，以達到優(yōu)點互補的目的，本課題組在實際風特性觀測中同時使用超聲風速儀和螺旋槳風速儀。
第3章 基于實測數據的臺風特性分析..................... 28-74
3.1 引言..................... 28
3.2 臺風數據的背景資料 ..................... 28-32
3.3 數據預處理..................... 32-36
3.3.1 數據預處理方法 .....................33-34
3.3.2 實測數據預處理 .....................34-36
3.4 平均風速及風向..................... 36-42
3.5 湍流強度 .....................42-45
3.5.1 湍流強度定義及算法..................... 42
3.5.2 實測數據湍流強度分析..................... 42-45
3.6 湍流積分長度 .....................45-60
3.7 脈動風速譜..................... 60-72
3.8 本章小結..................... 72-74
第4章 基于實測數據的脈動風速譜擬合..................... 74-82
4.1 引言..................... 74
4.2 脈動風速功率譜擬合原理 .....................74-75
4.3 基于實測數據脈動風速譜擬合..................... 75-81
結論
臺風一種具有巨大破壞性的天氣系統，是強災害性天氣之一，它的驅動因素和運動特征與常態(tài)風有很大差別，所引起的風效應也與常態(tài)風不一樣。本文基于實測記錄的臺風數據，分析了臺風平均風速風向、湍流強度、湍流積分長度和脈動風速譜等風特性，得到了以下主要結論:
(1)論文作者在城市中心的超高層建筑結構頂部以及沿海岸的近臺風登陸點設置了臺風要素觀測記錄設備，可以長時間觀測記錄風要素，為本文的進一步研究積累了數據;
(2)典型強臺風“Damrye”過程記錄數據的分析結果發(fā)現，平均風攻角由臺風接近觀測點過程中的負攻角轉變?yōu)榕_風遠離觀測點過程中的正攻角，該風攻角對于大跨度空間結構和大跨度橋梁結構的抗風是非常不利的。
(3)十分鐘持時的縱向湍流強度在0.132-0.230之間(對應平均風速大于10m/S)，大于一般常態(tài)風的相應建議值，湍流強度隨著平均風速的增大而減小規(guī)律十分明顯;十分鐘的橫向湍流強度在0.085-0.219之間(對應平均風速大于10m/s)。
(4)本文提出的改進自相關函數法的計算結果比較穩(wěn)定;利用改進自相關函數法計算得到各臺風過程的縱向湍流積分長度平均值在102-249m之間，變異系數(一個臺風過程中)在0.302-0.531之間，計算得到的橫向湍流積分長度在65-116m之間，變異系數在0.248-0.857之間;湍流積分長度具有隨平均風速的增大而增大的趨勢。
(5)實測縱向脈動風速譜與vonKamrna譜吻合較好;而且基于各向同性理論由VonKarmna縱向譜推導出的橫向和豎向脈動風速譜也與實測譜吻合較好，說明各向同性湍流理論在臺風風場中是適用的。
(6)基于Kolmgorove理論，利用脈動風功率譜的統一形式推導了vonKamrna譜和Dvaneport譜的對應形式，利用同一地點的三個臺風過程數據，對兩種譜形式進行了參數擬合;擬合之后的VonKarmna譜和Dvaneport譜與實測譜均吻合較好，吻合程度遠超過標準的 VonKarmna譜和Dvaneport譜，說明該兩種譜形式都適合于描述臺風的脈動風速譜，只是對應的參數與標準譜不一樣;不同臺風過程所得到的擬合參數差異較大，因此，如需要歸納得到通用的臺風擬合譜，還需要大量的數據積累。
參考文獻
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