徐 安,傅繼陽(yáng),趙若紅,吳玖榮

(1.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,浙江溫州325000；2.廣州大學(xué)與淡江大學(xué)工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害與控制聯(lián)合研究中心,廣東廣州510006)

0 引 言

風(fēng)荷載是作用于建筑結(jié)構(gòu)的一種典型的動(dòng)力荷載,其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)物的作用效果是由風(fēng)特性決定的。與建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載直接相關(guān)的風(fēng)特性主要有:平均風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、峰值因子、湍流積分長(zhǎng)度和脈動(dòng)風(fēng)速譜等[1]。這些風(fēng)特性是由大氣運(yùn)動(dòng)中動(dòng)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[2,3]。不同尺度、不同類型的天氣過程,它的驅(qū)動(dòng)因素和運(yùn)動(dòng)特征是不一樣的[4]?，F(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)特性大部分是根據(jù)季候風(fēng)的研究結(jié)果得到的,由于在季候風(fēng)中,大氣運(yùn)動(dòng)中動(dòng)量、熱量、水分等的運(yùn)輸與平衡與臺(tái)風(fēng)有顯著的差別,所以季候風(fēng)特性與臺(tái)風(fēng)的風(fēng)特性也有顯著的差別[4～6]。臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度一般要遠(yuǎn)大于季候風(fēng)的強(qiáng)度,在臺(tái)風(fēng)影響地區(qū),土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)臺(tái)風(fēng)作用。因此,為了更好地把握臺(tái)風(fēng)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的作用,為臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),需要專門進(jìn)行臺(tái)風(fēng)特性的研究。因此對(duì)于臺(tái)風(fēng)近地風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)研究一方面有助于提升對(duì)其特性的認(rèn)識(shí),為在風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD模擬中更好地模擬實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)提供指南,另一方面也可以校驗(yàn)實(shí)測(cè)中各種儀器的測(cè)試性能,為以后的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究積累經(jīng)驗(yàn),目前國(guó)內(nèi)這方面的研究報(bào)告還較少。

本文采用兩種不同型號(hào)的超聲風(fēng)速儀詳細(xì)觀測(cè)了2006年臺(tái)風(fēng)“珍珠”和臺(tái)風(fēng)“派比安”登陸時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向變化歷程,并分析了臺(tái)風(fēng)過程的10分鐘和1小時(shí)平均風(fēng)速變化歷程、概率密度分布、風(fēng)向角、風(fēng)攻角、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度及脈動(dòng)風(fēng)速譜,總結(jié)了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性,同時(shí)對(duì)比分析了各種測(cè)試儀器的性能,并對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速譜進(jìn)行了擬合。

1 臺(tái)風(fēng)觀測(cè)情況

1.1 臺(tái)風(fēng)“珍珠”

0601號(hào)臺(tái)風(fēng)“珍珠”于06年5月18日2時(shí)15分在饒平縣和汕頭澄海區(qū)交界地區(qū)登陸,觀測(cè)地點(diǎn)位于廣東省饒平縣海山鎮(zhèn)歐邊村的70m梯度風(fēng)觀測(cè)塔,地理坐標(biāo)位于東經(jīng) 117.002°,北緯 23.551°。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心直接經(jīng)過觀測(cè)點(diǎn)。CSAT3型超聲風(fēng)速儀安裝在離地面5m高度處,經(jīng)水平校正,儀器探頭朝向正東方向；HD2003型超聲風(fēng)速儀安裝在離地面10m高度處,由于安裝時(shí)風(fēng)雨太大,儀器白色盒面未能按要求朝向正南方向,而是朝向南偏東20°方向(據(jù)此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)已進(jìn)行了修正)。臺(tái)風(fēng)“珍珠”的有效數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為:2006年05月17日9:57～2006年05月18日7:40。

1.2 臺(tái)風(fēng)“派比安”

0606號(hào)臺(tái)風(fēng)“派比安”于2006年8月3日晚上7:20登陸,觀測(cè)地點(diǎn)位于茂名市電白縣電城鎮(zhèn)博賀海洋氣象觀測(cè)站,地理坐標(biāo):東經(jīng):111.315°,北緯:21.452°。觀測(cè)站三面臨海,僅有西北方向與大陸相連。塔的東面視野開闊；塔的南面沒有植被遮擋,地勢(shì)平坦。該塔5m和10m高處東西方向分別安裝了三維超聲測(cè)風(fēng)儀和螺旋槳,其中塔身5m處,塔的正東面安裝CSAT3三維超聲測(cè)風(fēng)儀,經(jīng)水平校正,儀器探頭按要求朝向正東方向；正西面則安裝了螺旋槳(螺旋槳的位置比Delta三維超聲測(cè)風(fēng)儀要稍微高點(diǎn)),調(diào)節(jié)水平氣泡居中；塔身10m位置的正東方向上安裝了HD2003型三維超聲測(cè)風(fēng)儀,正西面安裝了螺旋槳(螺旋槳的位置比HD2003型三維超聲測(cè)風(fēng)儀要稍微高點(diǎn))。按照要求以上四臺(tái)儀器的基準(zhǔn)面均朝向正南方向。依次將CSAT3型三維超聲風(fēng)速儀、HD2003型三維超聲風(fēng)速儀、螺旋槳、1-WIRE型地溫儀和52203型雨量計(jì)與TF-1型數(shù)據(jù)采集器連接,然后將數(shù)據(jù)采集器與輸出電壓12V的蓄電池連接,并用較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)線的另外一端則連接越野車上的工作用手提電腦,檢測(cè)儀器是否正常工作。臺(tái)風(fēng)“派比安”的有效數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為:2006年8月3日11:01～2006年8月4日9:45。

需要說(shuō)明的是,由于我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中基本風(fēng)壓的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)高度為10m,故將HD2003型超聲風(fēng)速儀安裝在10m高度處。又由于在觀測(cè)塔上儀器安裝位置的限制,部分儀器安裝在5m高度處,所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)可作為參考。

2 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于本文采用的三維超聲風(fēng)速儀,記錄樣本為三個(gè)方向的風(fēng)速數(shù)據(jù) ux、uy、uz,則水平平均風(fēng)速U 、風(fēng)向角α和風(fēng)攻角φ為:

式中:N為樣本數(shù)。x、y、z坐標(biāo)及風(fēng)向角和風(fēng)攻角如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系及風(fēng)向示意圖Fig.1 Frame of axes and wind direction

湍流強(qiáng)度定義為10min時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平平均風(fēng)速的比值,反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度,是描述大氣湍流的參數(shù)。對(duì)于縱向脈動(dòng)風(fēng)速u(t)、橫向脈動(dòng)風(fēng)速v(t)和豎向脈動(dòng)風(fēng)速w(t),湍流強(qiáng)度可用下式表示:

風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子G來(lái)表示,陣風(fēng)因子一般定義為陣風(fēng)持續(xù)期tg內(nèi)的平均風(fēng)速最大值與10分鐘時(shí)距的水平平均風(fēng)速U之比,本文中tg取為3s。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 不同儀器觀測(cè)的風(fēng)速極值

由于采樣頻率的差別,兩種儀器觀測(cè)的瞬時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓變化歷程有一定差異。實(shí)際上,兩臺(tái)儀器測(cè)得的最大風(fēng)速指標(biāo)相差很大,如表1所示。由于采樣頻率較高的儀器能夠獲得更為完整和精確風(fēng)速變化信息,因此本文中平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和脈動(dòng)風(fēng)速譜等分析中均采用CSAT2003的采樣數(shù)據(jù)。

表1 兩種儀器測(cè)得的臺(tái)風(fēng)“珍珠”極值風(fēng)速比較Table1 Peak wind speed observed by two kind of instruments during typhoon Chanchu

3.2 平均風(fēng)速變化歷程

圖2顯示了兩次臺(tái)風(fēng)過程的1小時(shí)平均風(fēng)速變化歷程。由圖可見,臺(tái)風(fēng)登陸過程中,平均風(fēng)速有一個(gè)明顯的先增大后減小的過程。臺(tái)風(fēng)“派比安”的觀測(cè)站正好位于臺(tái)風(fēng)眼,因此在觀測(cè)過程中,出現(xiàn)了一段風(fēng)速特別小的時(shí)間,隨著臺(tái)風(fēng)中心的遷移,觀測(cè)站逐漸進(jìn)入眼壁和螺旋雨帶部分,風(fēng)速急劇增大。隨著臺(tái)風(fēng)中心逐漸遠(yuǎn)離觀測(cè)站,風(fēng)速漸漸變小。臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過觀測(cè)站時(shí),風(fēng)向會(huì)發(fā)生180°的變化。

3.3 風(fēng)向角與風(fēng)攻角變化歷程

臺(tái)風(fēng)“珍珠”和“派比安”10min平均風(fēng)向角與風(fēng)攻角的變化歷程分別如圖3和圖4所示。由圖可知,當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過觀測(cè)站時(shí),風(fēng)向發(fā)生了180°的轉(zhuǎn)向,由于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)豎向上存在著對(duì)流現(xiàn)象,所以臺(tái)風(fēng)經(jīng)過觀測(cè)站時(shí),風(fēng)攻角的變化尤為劇烈,風(fēng)攻角的變化在橋梁和大跨屋蓋的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中有著很大的影響,但目前的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M仍以水平流場(chǎng)為主,如何真實(shí)模擬臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)攻角的變化仍有待研究。

3.4 脈動(dòng)風(fēng)速的概率分布

對(duì)臺(tái)風(fēng)“珍珠”和“派比安”的觀測(cè)數(shù)據(jù)按10min時(shí)距分段研究結(jié)果表明,臺(tái)風(fēng)過程的高風(fēng)速和低風(fēng)速情況下的脈動(dòng)風(fēng)概率密度分布有所差異,由于篇幅所限,本文僅列出臺(tái)風(fēng)“珍珠”過程中,10m觀測(cè)高度處相對(duì)高風(fēng)速和相對(duì)低風(fēng)速的兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行說(shuō)明,如圖5所示。將實(shí)測(cè)風(fēng)速的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為參數(shù),繪制正態(tài)分布的概率密度函數(shù),比較可知,在10min平均風(fēng)速為18.31m/s時(shí),概率分布接近正態(tài)分布；而在10min平均風(fēng)速為32.34m/s時(shí),其概率分布規(guī)律與正態(tài)分布相差較大,主要表現(xiàn)在脈動(dòng)風(fēng)速在平均風(fēng)速附近出現(xiàn)的概率明顯較大。在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究中,通常假定脈動(dòng)風(fēng)是由穩(wěn)定氣流和一系列的旋渦疊加而成[7]。在此假定的基礎(chǔ)上,本文分析認(rèn)為,脈動(dòng)風(fēng)可以看作是穩(wěn)定流場(chǎng)和一系列旋渦疊加的結(jié)果,在絕對(duì)風(fēng)速較大時(shí),風(fēng)速構(gòu)成以穩(wěn)定流為主,旋渦對(duì)于風(fēng)速的影響較小。

圖2 臺(tái)風(fēng)過程的1小時(shí)平均風(fēng)速變化歷程Fig.2 Hourly mean wind speed during typhoon Chanchu and Prapiroon

圖3 臺(tái)風(fēng)“珍珠”風(fēng)向變化歷程Fig.3 Wind direction during typhoon Chanchu

圖4 臺(tái)風(fēng)“派比安”風(fēng)向變化歷程Fig.4 Wind direction during typhoon Prapiroon

通過對(duì)概率分布圖形的進(jìn)一步分析,當(dāng)峰值因子取3.0時(shí),按式(1)計(jì)算得到的峰值風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)“珍珠”和“派比安”過程中實(shí)測(cè)的10分鐘最大風(fēng)速超越概率相應(yīng)Upeak的概率不大于2%,因此認(rèn)為,采用式(8)通過平均風(fēng)速計(jì)算最大風(fēng)速是可行的。

3.5 湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子

臺(tái)風(fēng)“珍珠”和“派比安”湍流強(qiáng)度的變化歷程以及與10分鐘平均風(fēng)速的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。已有的研究表明,湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子間有近似的線性關(guān)系,本文對(duì)兩次臺(tái)風(fēng)過程分別進(jìn)行了擬合,臺(tái)風(fēng)“珍珠”和“派比安”的擬合結(jié)果分別如式(9)和(10)所示,對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合曲線的比較見圖8。

3.6 湍流積分尺度

通過氣流某一點(diǎn)的速度脈動(dòng),可以認(rèn)為是由平均風(fēng)所輸送的一些理想的渦旋疊加引起的。因此大氣邊界層的湍流渦旋可以看做頻率為n的周期脈動(dòng),定義渦旋的波長(zhǎng)λ=U/n,其中U為平均風(fēng)速,這個(gè)波長(zhǎng)就是渦旋大小的量度,湍流積分尺度是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。由于直接采用空間相關(guān)函數(shù)計(jì)算湍流積分尺度需要進(jìn)行空間多點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量,這往往難以實(shí)現(xiàn),而已有研究表明用自相干函數(shù)積分所得湍流積分尺度計(jì)算簡(jiǎn)單且結(jié)果穩(wěn)定,本文采用自相關(guān)函數(shù)積分法計(jì)算兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的湍流積分尺度。其結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖5 不同風(fēng)速下脈動(dòng)風(fēng)概率密度分布Fig.5 Probability distribution of different fluctuating wind speed

圖6 臺(tái)風(fēng)過程中縱向湍流強(qiáng)度變化歷程Fig.6 Turbulence intensity during typhoon Chanchu and prapiroon

圖7 縱向湍流強(qiáng)度與10min平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.7 Relationship of longitudinal turbulence intensity and 10 min wind speed

圖8 陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship of gust wind facotor and turbulenceintensity

3.7 脈動(dòng)風(fēng)速譜

脈動(dòng)風(fēng)速譜能夠清晰展示脈動(dòng)風(fēng)能量在頻率域的分布,是表達(dá)風(fēng)場(chǎng)特性的重要指標(biāo)。脈動(dòng)風(fēng)速譜包括順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向脈動(dòng)風(fēng)速譜。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究重點(diǎn)通常集中于順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜。目前常用的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜有Davenport譜、Kaimal譜和修正Karman譜等。

根據(jù)Kolmogrove理論,頻域內(nèi)縱向脈動(dòng)風(fēng)可以用統(tǒng)一形式的功率譜密度S(z,n)來(lái)表示:

定義衡量實(shí)測(cè)譜與經(jīng)驗(yàn)譜或擬合譜之間吻合程度的指標(biāo)為:

臺(tái)風(fēng)“珍珠”的實(shí)測(cè)風(fēng)速譜與Kaimal譜較為吻合,因此根據(jù)Kaimal譜曲線形式對(duì)其進(jìn)行擬合,如下式所示:

其中,P1,P2,P3,P4是待擬合的參數(shù),取值均大于0,f=,z為實(shí)測(cè)儀器高度。擬合結(jié)果如圖11和表2所示。

圖9 臺(tái)風(fēng)“珍珠”的湍流積分尺度Fig.9 Turbulence integral length scaleof typhoon Chanchu

圖10 臺(tái)風(fēng)“派比安”Fig.10 Turbulence integral length scale of typhoon Prapiroon

圖11 臺(tái)風(fēng)“珍珠”基于Kaimal譜擬合Fig.11 Wind speed spectrum fitted by Kaimal spectrum of typhoon Chanchu

表2 臺(tái)風(fēng)“珍珠”基于Kaimal譜的參數(shù)擬合結(jié)果Table2 Parameters of fitting results of typhoon Chanchu

而臺(tái)風(fēng)“派比安”的實(shí)測(cè)風(fēng)速譜則與Karman譜較為吻合,因此采用karman譜的曲線形式對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速譜進(jìn)行了擬合。擬合公式形式與式(13)相同,f=。為平均風(fēng)速。擬合結(jié)果如圖12和表3所示。

圖12 臺(tái)風(fēng)“派比安”基于Von Karman譜擬合Fig.12 Wind speed spectrum fitted by Karman spectrum of typhoon Prapiroon

表3 臺(tái)風(fēng)“派比安”基于Von Karman譜的參數(shù)擬合結(jié)果Table3 Parameters of fitting results of typhoon Prapiroon

4 結(jié)束語(yǔ)

采用兩種三維超聲風(fēng)速儀對(duì)臺(tái)風(fēng)“珍珠”與“派比安”進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較了不同風(fēng)速儀的記錄結(jié)果。對(duì)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程、風(fēng)向角、風(fēng)攻角變化進(jìn)行了分析。討論了其脈動(dòng)風(fēng)速的概率分布與峰值因子的取值。計(jì)算了兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子,并對(duì)其之間的線性關(guān)系進(jìn)行了擬合,得出以下基本結(jié)論:(1)超聲風(fēng)速儀的采樣頻率對(duì)于極值風(fēng)速的觀測(cè)結(jié)果有較大的影響,采樣頻率高的儀器觀測(cè)結(jié)果更為精確。(2)臺(tái)風(fēng)登陸過程中,平均風(fēng)速存在先增大后減小的過程,特別是當(dāng)風(fēng)眼通過觀測(cè)站是,其平均風(fēng)速相對(duì)很小。臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼通過觀測(cè)站前后,風(fēng)向發(fā)生180°的轉(zhuǎn)向,其風(fēng)攻角的變化也很劇烈,風(fēng)洞試驗(yàn)中如何模擬風(fēng)攻角變化有待進(jìn)一步研究。(3)平均風(fēng)速較小時(shí),其脈動(dòng)風(fēng)速概率分布接近正態(tài)分布,但平均風(fēng)速較大時(shí),其脈動(dòng)風(fēng)速概率分布則與正態(tài)分布相差較大。通過分析還可知,峰值因子取為3.0時(shí),最大風(fēng)速的超越概率小于2%。(4)陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系,本文對(duì)其進(jìn)行了擬合。(5)實(shí)測(cè)風(fēng)速譜均可與某種理論譜模型較好吻合,通過擬合,可以進(jìn)一步降低實(shí)測(cè)譜與理論譜的偏差。

致謝:廣東省氣象局提供了臺(tái)風(fēng)過程的觀測(cè)數(shù)據(jù),在此深表謝意!

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