温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

孙富学 1 ,许向楠 1 ,史文海 1,3 ,朱云辉 1 ,陈联盟 1 ,李正农 2 ,赵喆斐 3 ,姜 硕 1

(1.温州大学建筑工程学院,浙江,温州 325035;2.湖南大学土木工程学院,湖南,长沙 410082;3.RMIT University, Melbourne, Australia VIC 3030)

摘 要: 为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地(塔高10 m),并利用台风“菲特”和“麦德姆”登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了 10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地 10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。

关键词: 温州滨海平坦地貌;近地风场;台风;现场实测;湍流特性

温州位于我国东南沿海台风频发区域,在城市市区及村镇分布着大量低矮建筑。从历史资料来看,台风是造成低矮建筑安全隐患及破坏的主要因素。究其原因是房屋建设过程中没有考虑台风作用,或者仅按照规范取值考虑台风作用,导致实际台风作用与建设工况的偏差,从而影响低矮建筑在台风作用下的安全性能。因此,针对不同地域地貌的台风风场实测工作对建筑安全具有重要指导意义。

近年来,风场特性实测受到国内研究者的广泛重视。其中,与低矮建筑安全相关的台风近地风场特性实测方面成果丰硕。刘志文等 [1] 基于某拟建黄河大桥桥位附近 85 m高测风塔对内陆大风的风剖面、湍流度、湍流积分尺度、脉动风功率谱密度进行了实测分析。Hui等 [2―3] 基于香港昂船洲大桥附近50 m高的气象塔对季风和台风的风剖面、湍流度、湍流积分尺度进行了实测分析。Shu等 [4―5] 基于香港多个台风数据和气象站记录以及沿海多普勒雷达仪,分别分析了不同地形条件下的台风特性和台风、季风、雷雨大风的三种风轮廓线特征,以及三种风谱的差异。Shiau等 [6―7] 利用超声风速仪对台湾基隆港附近离地 26 m高度处进行实测研究,认为顺风向脉动风速功率谱密度与Karman谱密度吻合较好。史文海等 [8―11] 研究了温州和厦门地区的近地面和超高空台风风场的湍流特性,发现不同时距、风速大小、观测点的地面粗糙度和观测点高度对风场湍流特性影响显著。戴益民、胡尚瑜等 [12―13] 对广东台风登陆近地层湍流特性进行了实测研究,分析了不同风场在离地面为10 m、7.5 m及6 m不同高度处的平均风速及风向、湍流度和阵风因子等风场特征参数,提出针对低矮房屋在不同高度处平均风速及湍流度的变化规律。黄鹏等 [14] 对比分析了台风“米雷”和季风作用下上海浦东沿海地区近地层脉动风速谱特性,结果表明,台风与季风脉动风速谱差异明显。宋丽莉等 [15] 对复杂山地近地层强风特性进行了分析,发现受到地形地貌影响,风速的垂直分布变得更为复杂,风的垂直廓线也不完全满足幂指数分布形式。赵林等 [16] 等针对3次台风距地面5个不同高度处的风速实测记录进行了分析,发现风剖面指数在台风登陆前变化剧烈,在登陆后变化平稳,实测场地(近A类场地条件)多数情况台风的风剖面幂指数均大于规范规定值。王旭等 [17―19] 对台风影响下的上海浦东地区近地层湍流积分尺度和脉动特性进行了实测研究,研究了 B类地貌下 40 m高度范围内平均风剖面特性,并将实测结果与国内外的规范进行对比。李正农等 [20] 对北京郊区近地面冬季季风风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子等风场特性参数进行实测研究,发现 10 m高度范围内风特性具有较大的复杂性,与国家规范存在一些差异。

根据现有文献,台风近地风场特性与规范规定取值存在偏差,具有很强的地域及地貌特性,且针对温州滨海地区的台风近地风场实测研究尚未见报道。基于此,课题组在温州滨海园区建立了台风实测基地,并利用台风“菲特”及“麦德姆”实测数据,对滨海平坦地貌的台风近地风场特性进行研究,以期可为该区域及周边地区建筑防灾提供借鉴与参考。

1 实测概况

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性及对低矮房屋的作用性能,课题组于 2012年经过精心设计与选址,在温州滨海园区内设计建造了一幢足尺低矮房屋模型实测房。同时,在实验房东北面6 m处架设了1座高10 m的测风塔,分别在3.5 m、6.7 m和10 m塔高处安装了3台R.M.YOUNG 05103V型螺旋桨式风速仪,可同步获得风速和风向数据。风场数据同步采集,采用优泰 32通道动态数据采集分析系统,采样频率25.6 Hz。风速仪正北向安装,风向角定义为北风θ=0°,南风θ = 180°,以此类推。实测模型房及风塔布置现场如图1。

图1 实测基地图
Fig.1 Field measurement base

基于实测基地,课题组分别对台风“菲特”(2013年10月6日15:00~19:00)和台风“麦德姆”(2014年7月24日10:00~15:00)登陆前后的近地风场进行了实测。实测台风路径如图2所示。

图2 台风路径图
Fig.2 Path of typhoon

2 实测结果分析

2.1 平均风速、风向角剖面

根据风速仪实测得到风速时程U( t)和风向角时程θ(t),将U( t)分解为直角坐标系下的正交分量u x ( t)、 u y (t):

同时,定义 分别为 u x ( t)、u y ( t)的10 min时距的均值。10 min时距风速大小 和平均风向角可按下式计算得到:

其中step()为跃阶函数。相应的顺风向脉动时程u( t)和横风向脉动时程v( t)为:

基于式(1)~式(3)对实测数据进行分析。图3给出了台风“菲特”和“麦德姆”在不同高度处10 min平均风速、风向角随时间的变化。由图可以看出,不同高度处的平均风速随高度的增加而增大,这是由于地面的边界层效应引起,而风向角在不同高度处的实测值基本相同,且变化规律基本一致。

图310 min平均风速、风向角时程
Fig.310 min mean wind speed and wind direction

表1给出了台风“菲特”和“麦德姆”10 m高度范围内平均风速U Z 及平均风速比值 U Z /U 10 等参数的统计结果。由表1可知,10 m、6.7 m、3.5 m高度处平均风速比值 (U Z /U 10 )(U Z /U 10 )的标准差和变异系数均较小,表明不同高度处的风速比值均较为稳定。

表1 不同高度处风特性参数
Table1 Wind characteristic parameters at different height

注:mean、std、cov为平均值、方差、变异系数;Z为离地高度;U z 为离地高度Z处的平均风速;U 10 为离地高度10m处平均风速;U z /U 10 为平均风速比值;I z,u 、I z,v 为高度Z处顺风向、横风向湍流度;I z,v /I z,u 为高度Z处横顺风向湍流度比值;G z,u 、G z,v 为高度Z处顺风向、横风向阵风因子;L z,u 、L z,v 为高度Z处顺风向、横风向湍流积分尺度。

2.2 平均风剖面

近地边界层的湍流特性主要受到地面粗糙度的影响,常用平均风剖面来表征平均风速随高度的变化规律,我国规范 [21] 采用指数分布规律来描述近地层平均风剖面,如式(4):

式中:z b 、U b 分别为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速;z、U( z)为任一高度和任一高度处的平均风速;α为地面粗糙度指数。式中假定地面粗糙度指数α在梯度风高度z G 内为常数,且梯度风高度仅为指数α的函数。根据 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》 [21] ,实测地点为近海岸开阔平坦地形属于A类地貌,取α=0.12。图4为10 m高度范围内,10 min平均风速的整体平均值和10 min平均风速最大值的计算风剖面和实测风剖面。可以看出,在实测滨海平坦地貌上,受到地面形态及附着物等的影响,近地 10 m范围内实测风剖面与计算风剖面存在明显差异,同高度处的实测风速结果明显小于国家规范计算值。

利用两次台风不同高度处的平均风速实测值,以10 m高度风速作为基准值,利用式(4),可以反算得到该风剖面条件下的风剖面指数。图5为两次台风不同风速条件下反算得到的风剖面指数分布。分别将台风“菲特”、“麦德姆”实测α取平均后,得到风剖面指数平均值分别为 0.31、0.41,明显大于规范值0.12。表明该地域地貌条件下,10 m以下风剖面分布与规范推荐公式计算分布有较大差异,本文实测得到的风剖面指数可以作为工程设计的参考。

2.3 湍流度、阵风因子剖面

湍流度和阵风因子是反应风的脉动强度的重要参数。湍流度I定义为10 min时距的脉动风速标准差与水平平均风速的比值:

图410 min平均风速的总体均值剖面和最大值剖面
Fig.410 min mean wind speed profiles and max wind speed profiles

图5 风剖面指数α与风速关系
Fig.5 Variation of wind velocity with index α

式中: I i ( z)为高度z处的湍流度;σ i (z )分别表示脉动风速u( t)和υ(t)的标准差; σ i 2 ( z)相当于湍流脉动风速在i方向上的动能;U( z)为高度z处的平均风速。

已有一些经验公式用于估计湍流度,如AIJRLB-2004(日本风荷载规范) [22] 采用式:

式中:α为风速剖面指数律的指数;z G 为梯度风高度。

阵风因子通常定义为阵风持续期t g 内平均风速的最大值与10 min时距的平均风速之比:

结构风工程中定义阵风持续期为2 s~3 s,一般取t g =3 s。一般来说,t g 越大,对应的阵风因子越小。当t g 等于平均时距时,G u (t g )= 1,G υ ( t g )= 0。

表1给出了10 m高度范围内顺风向湍流度I z,u 、横风向湍流度I z,v 及同一高度处I z,v /I z,u 统计结果。两次台风的统计结果表明,同一高度处顺风向、横风向湍流度均值比较接近,不同高度I z,v /I z,u 均值相差较大,随着高度减小,均值变大。与文献[20]中强风均值在0.95左右变化的结论不同。

图6给出了台风“菲特”和“麦德姆”在各高度处顺风向湍流度均值与高度的变化关系,同时还给出了国家规范(GB 50009—2012)的在类似场地条件下的湍流度随高度变化的关系曲线。可以看出,随着高度的增大,顺风向、横风向湍流度总体上呈现递减的趋势。与我国规范差异较大,国家规范偏于保守。

图6 湍流度剖面
Fig.6 Turbulence intensity profiles

表1也给出了两次台风不同高度处的阵风因子统计结果。台风“菲特”各高度处顺风向、横风向阵风因子均大于台风“麦德姆”在相应高度处的阵风因子。在变异系数方面,台风“菲特”也明显大于台风“麦德姆”。

图7给出了阵风因子剖面,结果表明10 m内顺风向、横风向阵风因子随着高度的增加总体呈逐渐减小的趋势,且横风向阵风因子明显小于顺风向阵风因子。

图7 阵风因子剖面
Fig.7 Gust factor profiles

2.4 湍流积分尺度

湍流积分尺度是脉动风中湍流涡旋平均尺寸的量度,由于结构风荷载对湍流尺度特性的敏感性,湍流积分尺度通常是一项重要的风特性指标 [23-24] 。积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围,但分析方法的选择对其结果的稳定性至关重要。文中采用对实测Von Karman谱进行拟合的方法,对整个谱进行拟合。

表1给出了两次台风10 m高度范围内湍流积分尺度的统计结果。表1结果表明,10 m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度的增加而增大,台风“菲特”、“麦德姆”在各高度处顺风向湍流积分尺度比较接近,在不同高度处变异系数较为稳定。顺风向的湍流积分尺度远大于横风向的湍流积分尺度。图8给出了台风“菲特”、“麦德姆”顺风向湍流积分尺度与 10 min平均风速之间的变化关系。由图8可以看出,顺风向湍流积分尺度随着平均风速增加而增大,顺风向湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,台风“菲特”斜率大于台风“麦德姆”。随着风速、高度增加湍流积分尺度离散性变大。

图9给出了顺风向湍流积分尺度整体均值随着高度变化的剖面图形,同时给出了湍流积分尺度中位数以及日本规范推荐的剖面图形。由图9可以看出,随着高度的增加,顺风向湍流积分尺度均值呈逐渐增加的趋势;台风“菲特”顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范较为接近,台风“麦德姆”顺风向湍流积分尺度的中位数剖面与日本规范相差较大。在 10 m高度范围内,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范。

图8 顺风向湍流积分尺度与10 min平均风速的关系
Fig.8 Relationship between turbulence integral scale and 10 min mean wind speed

图9 湍流积分尺度剖面
Fig.9 Turbulence integral scale profiles

2.5 脉动风速功率谱密度函数

脉动风速功率谱密度函数可以用来描述脉动风的特性,其在频域上的分布可以描述湍流动能在不同尺度水平上的能量分布比例。根据已有的实测及风洞试验结果,Von Karman谱被认为可以比较真实反映脉动风速的统计特征,其顺风向、横风向的表达式:

图 10给出了实测风场平均风速顺风向和横风向脉动风速功率谱,作为对比在图中还给出了Von Karman谱。由图10可以看出,两次台风在不同高度上,顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,与文献[19]结论一致;低频部分,随着高度增加,谱值增加,台风“麦德姆”的这一规律更明显;高频部分,随着高度增加,谱值减小,在顺风向这一规律更明显。在10 m高度范围内受地面粗糙度的影响较大,两次台风实测脉动风速的功率谱密度与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本符合。

图10 湍流功率谱密度
Fig.10 Turbulence power spectra

3 结论

基于温州滨海建立的测风基地,实测获得了台风“菲特”和“麦德姆”影响温州期间一定时段风场数据,通过系统分析,获得的该地域平坦条件下两次台风的近地特性。主要结论如下:

(1)近地 10 m 范围内实测风剖面与计算风剖面存在明显差异,同高度处的风速实测结果明显小于国家规范计算值。实测得到的风剖面计算值明显大于规范计算值,本文实测结果可以作为工程设计的参考。

(2)随着高度的增加,湍流度和阵风因子有逐渐减小的趋势。不同高度处横风向与顺风向湍流度比值相差较大,随着高度减小,比值变大,并不稳定为某一定值。实测湍流度结果与我国规范差异较大。

(3)10 m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度的增加而增大。在顺风向湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着风速、高度增加湍流积分尺度离散性变大。在 10 m高度范围内,用中位数与平均值求湍流积分尺度差别不大,均小于日本规范。

(4)两次台风在不同高度上,顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近。在 10 m高度范围内受地面粗糙度的影响较大,两次台风实测脉动风速的功率谱密度与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本符合。

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SUN Fu-xue 1 , XU Xiang-nan 1 , SHI Wen-hai 1,3 , ZHU Yun-hui 1 , CHEN Lian-meng 1 ,LI Zheng-nong 2 , ZHAO Zhe-fei 3 , JIANG Shuo 1
(1.College of Civil Engineering and Architectural, Wenzhou University, Wenzhou, Zhejiang 325035, China;2.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, Hu’nan 410082, China; 3.RMIT University, VIC 3030, Melbourne, Australia)

Abstract: To gain the typhoon characteristics of wind filed near ground, a 10 m height field measurements wind tower station was set up Wenzhou coastal flat terrain.Series of wind parameters were measured during the passage of typhoon Fitow (2013)and Matmo (2014).Wind field characteristics such as mean wind speed, local wind axis, turbulence intensity, gust factor, turbulence integral scale and power spectral density were obtained for further investigate.The results show that, the wind speed profile index at 10 m height is significantly larger than the standard calculation value on the corresponding geomorphology in China, but the average and maximum windspeed are all much smaller than the standard values.The ratio of lateral turbulence and longitudinal turbulence are highly sensitive at different heights.The ratio increases with the height decreasing and both turbulence are different from the Chinese Standard.As wind speed and height tend to increase, the dispersion of the turbulence integral scale tends to increase linearly, but the median and mean value of turbulence integral scale only change slightly, the values of which are all less than the Japanese standard.With different typhoon, the longitudinal and lateral fluctuating wind power spectrums are different while the peak frequency and peak power are similar.Moreover, with change of magnitude, the value of fluctuating wind power spectrum and Von Karman will change,and the trends in change are similar.

Key words: Wenzhou coastal flat terrain; wind field near ground; typhoon; field measurements; turbulence characteristics

FIELD MEASUREMENTS OF TYPHOON CHARACTERISTICS NEAR GROUND IN WENZHOU COASTAL FLAT TERRAIN

姜 硕(1991―),男,山东临沂人,硕士生,从事结构风工程研究(E-mail: 1062479141@qq.com).

赵喆斐(1985―),女,广东广州人,副教授,博士,从事结构工程研究(E-mail: zhefeizhao@gmail.com);

陈联盟(1978―),男,浙江温州人,教授,博士,从事结构工程研究(E-mail: 247039328@qq.com);

李正农(1962―),男,湖北武汉人,教授,博士,从事结构风工程研究(E-mail: zhn88@263.net);

许向楠(1992―),男,江苏宿迁人,硕士生,从事结构风工程研究(E-mail: 492084389@qq.com);

史文海(1979―),男,湖南益阳人,副教授,博士,从事结构风工程研究(E-mail: 411905395@qq.com);

作者简介:

孙富学(1974―),男,河南镇平人,副教授,博士,主要从事结构风工程方面研究(E-mail: sunfuxue@163.com);

基金项目: 国家自然科学基金项目(51478366,51678455,51478179,51578422);浙江省自然科学基金项目(LY12E08010)

通讯作者: 朱云辉(1973―),女,江西兴国人,讲师,硕士,主要从事结构风工程方面研究(E-mail: zhu-yunhui@163.com).

文章编号: 1000-4750(2018)09-0073-08

收稿日期: 2017-05-07;修改日期:2017-10-24

文献标志码: A

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.0330

中图分类号: TU973+.213