陳超豪，王子茹，霍林生，黃國(guó)慶

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

作為自然災(zāi)害的重要類型之一，風(fēng)災(zāi)因其發(fā)生頻率高、波及范圍廣、直接災(zāi)害和次生災(zāi)害嚴(yán)重，早已引起了風(fēng)工程界的廣泛關(guān)注。對(duì)于高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)以及高聳結(jié)構(gòu)等風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)荷載往往是影響其安全性的關(guān)鍵因素，因而也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須充分考慮的。分析已有風(fēng)災(zāi)事故可知，風(fēng)荷載輕則引起工程結(jié)構(gòu)的局部破壞，重則導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的整體倒塌，不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，還往往伴隨著人員傷亡。

下?lián)舯┝魇嵌喾N強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害中的一類特殊氣候現(xiàn)象，其發(fā)生區(qū)域涉及全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，在亞洲、澳洲以及北美等地更是頻繁發(fā)生。統(tǒng)計(jì)資料顯示，僅澳大利亞、美國(guó)以及南非等地，“風(fēng)氣候”這一罪魁禍?zhǔn)滓l(fā)的大量輸電線塔破壞事故中，就有約80%是由下?lián)舯┝骰螨埦盹L(fēng)等極端風(fēng)氣候所致[1]。下?lián)舯┝鞔蠖喈a(chǎn)生于雷暴天氣環(huán)境中，1978年，F(xiàn)ujita[2]首先給出了下?lián)舯┝鞯亩x，即一種生成于地面或近地面附近并且極具突發(fā)性和破壞性的強(qiáng)下沉氣流。2009年5月，美國(guó)達(dá)拉斯牛仔訓(xùn)練場(chǎng)館因遭受下?lián)舯┝饕u擊而倒塌[3]。同年6月，下?lián)舯┝魍灰u江蘇，鎮(zhèn)江市的“5291江晉線”輸電線塔突然倒伏，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的下?lián)舯┝魉矔r(shí)極值風(fēng)速達(dá)到了33 m/s[4]。2016年9月，南澳大利亞遭遇連續(xù)下?lián)舯┝饕u擊，直接導(dǎo)致了23座輸電線塔的倒塌破壞[5]。

可見(jiàn)，有效應(yīng)對(duì)下?lián)舯┝鳛?zāi)害對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞，提出相應(yīng)的抗風(fēng)措施勢(shì)在必行。為此，首先需要了解其風(fēng)場(chǎng)特性。盡管下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)較難獲得，但目前也有部分學(xué)者開展了針對(duì)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性的相關(guān)研究。Chen等[6]提出了一種新的非平穩(wěn)風(fēng)速分析框架，并將該框架應(yīng)用于兩組下?lián)舯┝黠L(fēng)速時(shí)間序列，重點(diǎn)分析了下?lián)舯┝鞯钠骄L(fēng)速垂直廓線、紊流度垂直廓線、功率譜密度以及相關(guān)函數(shù)。Chen等[7]利用兩組全尺度實(shí)測(cè)下?lián)舯┝鲿r(shí)間序列，分析了下?lián)舯┝鞯臋M向尺度相關(guān)性。Orwig等[8]研究了下?lián)舯┝鞑糠诛L(fēng)場(chǎng)特性的時(shí)程變化及其隨高度的變化關(guān)系。Lombardo等[9]基于實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)近地面下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了識(shí)別與分析，并推薦了可用于下?lián)舯┝鲄?shù)計(jì)算的風(fēng)速時(shí)距取值。Shu等[10]基于香港6個(gè)氣象站的6年風(fēng)場(chǎng)資料，針對(duì)熱帶氣旋、季風(fēng)和下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子特性進(jìn)行了研究。Su等[11]以兩組全尺度下?lián)舯┝黠L(fēng)速記錄為例，對(duì)3種不同時(shí)間窗尺度的下?lián)舯┝黠L(fēng)速時(shí)變均值的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，并提出了合理的計(jì)算方法和時(shí)間窗大小。以上關(guān)于下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性的研究工作大多是圍繞風(fēng)速模型以及部分風(fēng)場(chǎng)特性展開，甚少涉及針對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性與平均風(fēng)速的關(guān)系、各類風(fēng)場(chǎng)特性之間的相關(guān)性分析，以及與大氣邊界層近地風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱常態(tài)風(fēng))的風(fēng)場(chǎng)特性的比較研究。

筆者基于實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，針對(duì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行研究，對(duì)比分析了下?lián)舯┝髋c常態(tài)風(fēng)的紊流度、紊流積分尺度和陣風(fēng)因子3個(gè)風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)。另外，考慮到相關(guān)性對(duì)工程結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布的影響，詳細(xì)分析了下?lián)舯┝鞑煌L(fēng)場(chǎng)特性之間的相關(guān)性，以期為下?lián)舯┝鞫喟l(fā)地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)采集

選取的下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)由美國(guó)德州理工大學(xué)(Texas Tech University, TTU)風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)室于2008年6月19日實(shí)測(cè)采集得到，采集地點(diǎn)位于距離盧博克市(Lubbock)以西15 km的里斯技術(shù)中心(Reese Technology Center, RTC)，采集現(xiàn)場(chǎng)為開闊地帶。

數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了一座高200 m的塔架，如圖1所示，在塔架0.9、2.4、4、10、116、158、200 m高度處分別安裝了風(fēng)速計(jì)，用于采集不同高度處的下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)[12]。風(fēng)速計(jì)采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向風(fēng)速傳感器，可用于測(cè)量3個(gè)正交方向的風(fēng)速，數(shù)據(jù)采樣頻率為30 Hz。

圖1 下?lián)舯┝黠L(fēng)速計(jì)安裝示意圖

2 下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)的處理

2.1 風(fēng)速數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于篇幅限制，僅選取圖1中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5采集到的水平方向下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。為方便表述，將測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的風(fēng)速時(shí)程分別命名為風(fēng)速樣本A和風(fēng)速樣本B。此外，考慮到數(shù)據(jù)采集過(guò)程中風(fēng)速儀響應(yīng)帶來(lái)的高頻噪聲的影響，基于實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)處理中常用的數(shù)值平均法，將下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)的頻率降低為2 Hz，得到如圖2所示的風(fēng)速時(shí)程。

圖2 實(shí)測(cè)下?lián)舯┝黠L(fēng)速時(shí)程

2.2 時(shí)變平均風(fēng)速的提取

與常態(tài)風(fēng)類似，下?lián)舯┝黠L(fēng)速可以采用式(1)所示風(fēng)速模型表征[13]。

(1)

采用滑移平均法[14]提取下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)風(fēng)速的時(shí)變平均值，進(jìn)而獲得脈動(dòng)成分。圖3所示為下?lián)舯┝鞯臅r(shí)變平均風(fēng)速(以下簡(jiǎn)稱平均風(fēng)速)和脈動(dòng)風(fēng)速提取結(jié)果?？梢灾庇^地看出，樣本A和樣本B的平均風(fēng)速均較好地反映了實(shí)測(cè)下?lián)舯┝黠L(fēng)速的變化趨勢(shì)。

圖3 下?lián)舯┝鞯钠骄L(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速

在得到下?lián)舯┝鞯拿}動(dòng)風(fēng)速后，脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度p(u)應(yīng)接近高斯分布模型[15]

(2)

式中：σu為脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差。

為進(jìn)一步驗(yàn)證平均風(fēng)速提取結(jié)果的正確性，在得到樣本A和樣本B的脈動(dòng)風(fēng)速后，分別計(jì)算兩個(gè)樣本脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度分布情況，并進(jìn)行數(shù)值擬合，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，樣本A和樣本B脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度分布情況均與高斯分布模型吻合較好，從而驗(yàn)證了平均風(fēng)速提取結(jié)果的正確性。

圖4 脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度

值得注意的是，數(shù)值擬合結(jié)果和理想的高斯分布模型存在一定的偏差，說(shuō)明下?lián)舯┝鞯拿}動(dòng)風(fēng)速并不是嚴(yán)格意義上的零均值平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，這是由于下?lián)舯┝黠L(fēng)速的瞬時(shí)突變性導(dǎo)致了其本身強(qiáng)烈的非平穩(wěn)性。

3 風(fēng)場(chǎng)特性分析方法

3.1 紊流度

風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)弱程度可以用紊流度來(lái)表征，空間中任意一點(diǎn)的紊流度可以定義為一定平均時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差與平均風(fēng)速的比值，即[16]

(3)

式中：Iu為紊流度。

而對(duì)于常態(tài)風(fēng)，任意高度z處的紊流度還可以按式(4)計(jì)算[16]。

Iu(z)=I10(z/10)-α

(4)

式中：α為地面粗糙度指數(shù)；I10為10 m高度處的名義紊流度。

3.2 紊流積分尺度

紊流積分尺度Lu是描述空間紊流中任意兩點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速相關(guān)性的重要參數(shù)，同時(shí)，該參數(shù)直接表征給定方向氣流渦旋的平均尺度的大小。任意高度z處的紊流積分尺度可以定義為[16]

(5)

式中：Ru(τ)為高度z處脈動(dòng)風(fēng)速u(t)的自相關(guān)函數(shù)。

對(duì)于常態(tài)風(fēng)，任意高度z處的紊流積分尺度可按式(6)計(jì)算[16]。

Lu(z)=100(z/30)0.5

(6)

3.3 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子G是與結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)可能遭遇的最大風(fēng)速(即極值風(fēng)速)緊密相關(guān)的重要參數(shù)，其定義可以采用多種形式，筆者將其定義為[17]

(7)

對(duì)于常態(tài)風(fēng)，陣風(fēng)因子和紊流度之間滿足關(guān)系[16]

G=1+gIu

(8)

式中：g為峰值因子，按規(guī)定一般取2.5。

4 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性分析

由于下?lián)舯┝骶哂袕?qiáng)烈的非平穩(wěn)性，且下?lián)舯┝鞯某掷m(xù)時(shí)間通常較短，一般不超過(guò)600 s，因此，Holmes等[18]指出，傳統(tǒng)的基于10 min或1 h時(shí)變平均的處理方法并不適用于下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。文獻(xiàn)[9]指出，下?lián)舯┝飨嚓P(guān)參數(shù)計(jì)算的基本時(shí)距可以取60～240 s。結(jié)合所取下?lián)舯┝黠L(fēng)速樣本的時(shí)程情況，選取60 s作為下?lián)舯┝飨嚓P(guān)參數(shù)計(jì)算的基本時(shí)距。此外，在得到下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)特性后，將其與常態(tài)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性參考值進(jìn)行了比較。

4.1 紊流度

圖5給出了兩個(gè)下?lián)舯┝黠L(fēng)速樣本的紊流度時(shí)程，可以看出，樣本A和樣本B的紊流度在約0～1 500 s時(shí)段較為穩(wěn)定，而在約1 500～3 000 s時(shí)段波動(dòng)較大，這是由于兩個(gè)風(fēng)速樣本在該時(shí)段的平均風(fēng)速波動(dòng)較大所致。

圖5 下?lián)舯┝鞯奈闪鞫?/p>

為了與常態(tài)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行比較，表1給出了下?lián)舯┝鲀蓚€(gè)風(fēng)速樣本各風(fēng)場(chǎng)特性的最大值、平均值和最小值，以及相同地貌下測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5對(duì)應(yīng)高度處常態(tài)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性的計(jì)算參考值。從表1的對(duì)比結(jié)果可知，樣本A和樣本B的紊流度最大值分別達(dá)到了0.302、0.251，均明顯大于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5所在高度處常態(tài)風(fēng)的紊流度參考值0.201和0.097，說(shuō)明下?lián)舯┝髦械拿}動(dòng)成分多于常態(tài)風(fēng)中的脈動(dòng)成分，氣流更加不穩(wěn)定，更容易對(duì)結(jié)構(gòu)造成威脅。

表1 風(fēng)場(chǎng)特性對(duì)比

4.2 紊流積分尺度

圖6給出了下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度時(shí)程?？梢钥闯?，樣本B的紊流積分尺度明顯大于樣本A的紊流積分尺度，這是由下?lián)舯┝髫Q向風(fēng)剖面的性質(zhì)所決定的。翟偉廉等[19]指出，與常態(tài)風(fēng)風(fēng)速沿高度單調(diào)增加不同的是，下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速隨高度的增加先增大后減小，且在約80 m高度附近取得最大值。測(cè)點(diǎn)1所處位置低，風(fēng)速較小，下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度較小。而測(cè)點(diǎn)5所在高度風(fēng)速更大，由此產(chǎn)生的渦旋尺寸更大。同樣地，從表1可知，樣本A和樣本B的紊流積分尺度最大值分別達(dá)到了118.45、450.6 m，均顯著大于測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5所在高度處常態(tài)風(fēng)的紊流積分尺度參考值17.321、196.638 m。如前面所述，紊流積分尺度表征了氣流中渦旋平均尺度的大小，這意味著，與常態(tài)風(fēng)相比，下?lián)舯┝鲿?huì)產(chǎn)生尺度更大的渦旋，這些渦旋更容易將結(jié)構(gòu)包圍，脈動(dòng)風(fēng)在結(jié)構(gòu)各個(gè)部位所引起的動(dòng)荷載更容易接近同步，從而威脅到結(jié)構(gòu)的安全。尤其是測(cè)點(diǎn)5所在高度116 m處，紊流積分尺度很大，而這一高度是高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)經(jīng)常觸及到的，因此，在這類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，有必要針對(duì)下?lián)舯┝鞯耐{提出有效的應(yīng)對(duì)措施。

圖6 下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度

4.3 陣風(fēng)因子

在常態(tài)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性分析中，陣風(fēng)因子的計(jì)算時(shí)距一般取tg=3 s。針對(duì)下?lián)舯┝鞯乃矔r(shí)特性，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中對(duì)計(jì)算時(shí)距的分析，取tg=1 s，即采用時(shí)距更短的1 s陣風(fēng)因子。計(jì)算得到樣本A和樣本B的陣風(fēng)因子時(shí)程，如圖7所示。同樣，由于樣本A和樣本B的平均風(fēng)速在約1 500～3 000 s時(shí)段波動(dòng)較大，導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)的陣風(fēng)因子也呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，而在0～1 500 s時(shí)段則變化較小。

圖7 下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子

表1的對(duì)比結(jié)果同樣說(shuō)明，相比常態(tài)風(fēng)，下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子更大，尤其是樣本B的最大陣風(fēng)因子達(dá)到了1.743，遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)高度處常態(tài)風(fēng)的陣風(fēng)因子1.243。這表明，相對(duì)常態(tài)風(fēng)而言，下?lián)舯┝魅菀桩a(chǎn)生更大的瞬時(shí)極值風(fēng)速，這對(duì)高層建筑以及高聳結(jié)構(gòu)的安全非常不利。此外，可以看到，樣本B的最大陣風(fēng)因子大于樣本A的最大陣風(fēng)因子，如前面所述，這也是由下?lián)舯┝髫Q向風(fēng)剖面的性質(zhì)所決定的，相比于測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)5所在高度處容易產(chǎn)生更大的瞬時(shí)極值風(fēng)速。

4.4 相關(guān)性分析

圖8、圖9分別為下?lián)舯┝鞯奈闪鞫?、紊流積分尺度與平均風(fēng)速的關(guān)系?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)風(fēng)速樣本的紊流度與平均風(fēng)速之間都表現(xiàn)出了負(fù)相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會(huì)促使紊流度減??；而紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會(huì)使得紊流積分尺度也隨之增大。

圖8 紊流度與平均風(fēng)速的相關(guān)性

圖9 紊流積分尺度與平均風(fēng)速的相關(guān)性

圖10為下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度與紊流度的關(guān)系?？梢钥闯觯闪鞣e分尺度和紊流度之間存在負(fù)相關(guān)性，即當(dāng)紊流度增大時(shí)，紊流積分尺度減小，這與二者和平均風(fēng)速的相關(guān)性分析結(jié)果吻合。

圖10 紊流積分尺度與紊流度的相關(guān)性

通常認(rèn)為下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子G和紊流度Iu之間存在著與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性類似的關(guān)系[10]，即

G=1+k1×Iuk2×ln(T/tg)

(9)

式中：T為平均風(fēng)速計(jì)算時(shí)距；k1、k2為擬合參數(shù)。在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性分析中，Ishizaki[20]建議k1=0.5，k2=1.0；Cao等[21]建議k1=0.5，k2=1.15。

圖11為下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子與紊流度之間的關(guān)系。對(duì)于樣本A，k1=0.22、k2=0.7，對(duì)于樣本B，k1=0.22、k2=0.53?？梢钥闯?，下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子和紊流度之間同樣存在著正相關(guān)性，但二者并不是普通的線性關(guān)系。此外，其相關(guān)性和臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性類似，但擬合參數(shù)k1和k2的取值略小于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性分析中的結(jié)果。

圖11 陣風(fēng)因子與紊流度的相關(guān)性

綜合以上相關(guān)性分析結(jié)果可知，對(duì)低矮建筑而言，由于所處高度下?lián)舯┝黠L(fēng)速較小，氣流渦旋的尺度較小，但脈動(dòng)成分卻較多，因此，在該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注脈動(dòng)成分的影響。而對(duì)高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)而言，由于所處高度下?lián)舯┝黠L(fēng)速較大，氣流渦旋的尺度往往很大，因此，在該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中需要側(cè)重考慮氣流渦旋的威脅。最后，針對(duì)下?lián)舯┝鳂O值風(fēng)速可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，在各類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中都必須嚴(yán)格考慮。

5 結(jié)論

基于下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析了下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)特性，并與常態(tài)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1)下?lián)舯┝鞯奈闪鞫?、紊流積分尺度以及陣風(fēng)因子均大于相應(yīng)場(chǎng)地類別下相同高度處常態(tài)風(fēng)的對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)特性。

2)下?lián)舯┝鞯奈闪鞫扰c平均風(fēng)速之間存在負(fù)相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會(huì)促使紊流度減??；而紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會(huì)使得紊流積分尺度也隨之增大。

3)下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度和紊流度之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，陣風(fēng)因子與紊流度之間則呈現(xiàn)出與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性類似的非線性正相關(guān)關(guān)系。

4)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)中，對(duì)于低矮建筑，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注脈動(dòng)成分的影響；而對(duì)于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，則應(yīng)側(cè)重考慮氣流渦旋的威脅。

5)相比常態(tài)風(fēng)，下?lián)舯┝髂軌虍a(chǎn)生更大的瞬時(shí)極值風(fēng)速，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成更大的威脅，需要引起工程設(shè)計(jì)人員的充分重視。