李利孝,黃羽晴,陳上鑫,黃希桂,肖儀清,陳賢川
1)深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東深圳 518060;2)深圳市海上基礎(chǔ)設(shè)施安全與監(jiān)測重點實驗室,廣東深圳 518060;3)哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院,廣東深圳 518055
風(fēng)場湍流參數(shù)是建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的重要輸入?yún)⒘?,其估值的?zhǔn)確性對建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性至關(guān)重要.現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1]中假定風(fēng)速時程為平穩(wěn)、高斯和各態(tài)遍歷的隨機過程,然而,實測風(fēng)速時程在眼壁強風(fēng)區(qū)和風(fēng)眼區(qū)常表現(xiàn)出較強的非平穩(wěn)性和非高斯性.因此,荷載規(guī)范對臺風(fēng)影響區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的適用性有待商榷.針對臺風(fēng)風(fēng)速的非平穩(wěn)特性,CHEN等[2]采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法將非平穩(wěn)風(fēng)速時程分解為時變平均風(fēng)和平穩(wěn)脈動風(fēng)兩部分,對比分析了兩部分湍流參數(shù)的異同.之后,針對非平穩(wěn)風(fēng)速時程,眾多學(xué)者將研究精力集中于演化功率譜的建模及其對建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)影響方面[3-4].然而,由于臺風(fēng)場非平穩(wěn)風(fēng)的非平穩(wěn)特性具有較大的變異性,目前尚難以建立較為通用的演化功率譜或非平穩(wěn)風(fēng)時變模型.
相干結(jié)構(gòu)是湍流運動中的一種擬序運動形式,其本質(zhì)為具有一定周期和結(jié)構(gòu)外形的流場運動,一旦觸發(fā)則誘導(dǎo)流場按照特定次序發(fā)展演化,在時間和空間上具有自組織和擬序的特征[5].大氣邊界層湍流的相干結(jié)構(gòu)具有多尺度特性,大尺度相干結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為猝發(fā)現(xiàn)象,小尺度相干結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為強間歇性運動[6].國內(nèi)外大量學(xué)者在相干結(jié)構(gòu)的精確辨識與提取[7-9]、時空尺度特征與演化特性[10-12]、湍動能輸運貢獻[13]等方面開展了廣泛的研究.在大氣邊界層,相干結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致邊界層風(fēng)場風(fēng)速具有非平穩(wěn)性和非高斯特性的重要因素[14-16].對于臺風(fēng)風(fēng)場,流場結(jié)構(gòu)具有非對稱螺旋結(jié)構(gòu)特征,湍流驅(qū)動中主動湍流與被動湍流均具有顯著貢獻,相干結(jié)構(gòu)具有更為復(fù)雜的特征,對風(fēng)速脈動特性具有重要影響[17].目前從相干結(jié)構(gòu)角度對臺風(fēng)場風(fēng)速脈動特性進行的研究相對較少.
本研究以0814號強臺風(fēng)“黑格比”為研究對象,采用GILLIAM等[9]提出的基于小波分析與假設(shè)檢驗的相干結(jié)構(gòu)提取方法,對強臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)場的相干結(jié)構(gòu)進行精確辨識與提取,分析相干結(jié)構(gòu)對順風(fēng)向脈動風(fēng)速樣本的平穩(wěn)性和高斯性的影響,研究相干結(jié)構(gòu)對風(fēng)場湍流參數(shù)(湍流強度、積分尺度、陣風(fēng)因子和峰值因子)的影響規(guī)律,并探究相干結(jié)構(gòu)對湍動能譜成分的影響,以及相干結(jié)構(gòu)的持時與能量占比特點.本研究為臺風(fēng)場風(fēng)速脈動時程的非平穩(wěn)性研究提供一種重要思路,可較為系統(tǒng)地量化分析臺風(fēng)場湍流參數(shù)特性,為臺風(fēng)影響區(qū)工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計提供參考.
本研究風(fēng)場數(shù)據(jù)來源于0814號強臺風(fēng)“黑格比”在中國廣東博賀峙仔島100 m高風(fēng)觀測塔24 h(2008-09-270∶00—24∶00)連續(xù)記錄的風(fēng)速時程樣本,風(fēng)速數(shù)據(jù)采用Gill WindMaster Pro超聲風(fēng)速儀觀測,采樣頻率為10 Hz,風(fēng)速儀的安裝高度為塔身60 m位置.風(fēng)觀測塔儀器配置及周邊場地信息可參考文獻[18].
圖1為0814號強臺風(fēng)“黑格比”的10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向時程.由于超聲風(fēng)速儀在9∶30—11∶30時間段的數(shù)據(jù)壞點較多,所以將此時間段數(shù)據(jù)去除(即圖中數(shù)據(jù)缺失時段).用于信號分析的單個樣本時長均為10 min,對所有樣本分別采用輪次檢驗法和逆序檢驗法[19]進行平穩(wěn)性檢驗,對輪次檢驗和逆序檢驗均未通過的樣本定義為非平穩(wěn)樣本,其余定義為平穩(wěn)樣本.由圖1可見,前后眼壁強風(fēng)區(qū)附近的樣本表現(xiàn)出了較強的非平穩(wěn)性,后外環(huán)流區(qū)域非平穩(wěn)樣本占比也較高.
圖1 0814號強臺風(fēng)“黑格比”10 min平均風(fēng)速與風(fēng)向時程”Fig.1 Time history of 10 min mean wind speed(left axis)and direction(right axis)of 0814 strong typhoon Hagupit.
本研究采用GILLIAM等[9]提出的基于小波變換的數(shù)學(xué)統(tǒng)計技術(shù)進行相干結(jié)構(gòu)提取,具體步驟為:
對非平穩(wěn)風(fēng)速時程樣本x(t)進行快速傅里葉變換得到頻域信號X(f),保持頻域信號的幅值|X(f)|不變,假定相位在[0,2π]均勻分布,通過逆傅里葉變換生成大量平穩(wěn)隨機參考樣本,為
其中,t為時間;f為頻率;φ為均勻分布隨機相位,φ∈[0,2π].
對隨機生成的信號xe(t)進行離散正交小波變換,將同一尺度a下的小波系數(shù)模平方 |Wx(a,b)|2進行順序排序,得到各個尺度下相應(yīng)平穩(wěn)信號小波系數(shù)能量所對應(yīng)的經(jīng)驗分布函數(shù)ECDF(a)為
其中,th(a)為尺度a下的能量閾值;b為隨機信號長度;N為平穩(wěn)隨機參考樣本個數(shù);函數(shù)I為指標(biāo)函數(shù),當(dāng)條件為真時其值取1,條件為假時其值取0.
根據(jù)大數(shù)定理,當(dāng)所取得隨機參考樣本足夠多時,ECDF(a)將收斂于真實值,根據(jù)顯著性水平獲得各個尺度a下的能量閾值th(a),對原始非平穩(wěn)風(fēng)速信號(original fluctuation signal,OFS)的小波變換系數(shù)能量 |Wx(a,b)|2進行單邊假設(shè)檢驗.當(dāng)|Wx(a,b)|2大于ECDF(a)所對應(yīng)的th(a)時,將其識別為高含能的相干結(jié)構(gòu),將其對應(yīng)的小波系數(shù)置0并重構(gòu),即可得到提取相干結(jié)構(gòu)后的重構(gòu)脈動信號(reconstructed fluctuation signal,RFS).
同理,將其余 |Wx(a,b)|2所對應(yīng)的小波系數(shù)置0后進行小波重構(gòu),則可得到相干結(jié)構(gòu)信號(coherent structure signal,CSS)時程.
為保證提取結(jié)果的準(zhǔn)確性,本研究生成了1000個平穩(wěn)隨機參考樣本,根據(jù)文獻[20]的研究結(jié)果并對不同小波函數(shù)的提取結(jié)果進行了對比分析,最終選擇sym10小波作為小波變換基函數(shù).圖2為采用上述方法對0814號強臺風(fēng)“黑格比”中任意選取的03∶20—03∶30時間段樣本(非平穩(wěn)樣本)進行相干結(jié)構(gòu)提取后的樣本時程對比.由圖2可見,相干結(jié)構(gòu)與原始脈動風(fēng)速時程的演化趨勢基本一致,且在風(fēng)速尖峰處具有較大的值,說明相干結(jié)構(gòu)在湍流運動的長周期和短周期的脈動特性上均有貢獻,提取相干結(jié)構(gòu)后重構(gòu)風(fēng)速時程的平穩(wěn)性與間歇性均有顯著的改善.
相干結(jié)構(gòu)在低頻區(qū)表現(xiàn)為大尺度的猝發(fā)現(xiàn)象,在高頻區(qū)表現(xiàn)為小尺度的間歇性現(xiàn)象.實測臺風(fēng)場風(fēng)速時程的非平穩(wěn)性往往由低頻長周期的脈動誘發(fā),而非高斯性則由高頻短周期非對稱性脈動所致.因此,相干結(jié)構(gòu)對風(fēng)速時程的平穩(wěn)性和高斯性均具有一定的影響.圖3為提取相干結(jié)構(gòu)前后樣本平穩(wěn)性的檢驗結(jié)果,對比圖1可見,在提取相干結(jié)構(gòu)后53個非平穩(wěn)樣本在顯著性水平α=0.05下有41個樣本通過了平穩(wěn)性檢驗,表明相干結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致風(fēng)速樣本具有非平穩(wěn)性的主要原因,其余非平穩(wěn)樣本則主要集中于風(fēng)眼區(qū)等風(fēng)向急劇變化時刻.
偏度系數(shù)γ3和峰度系數(shù)γ4是表征時間序列高斯特性的兩個主要參數(shù).圖4為0814號強臺風(fēng)“黑格比”樣本在相干結(jié)構(gòu)提取前后偏度系數(shù)與峰度系數(shù)的變化對比.由圖4可見,在提取相干結(jié)構(gòu)后各樣本的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均接近于正態(tài)分布.偏度系數(shù)與峰度系數(shù)顯著偏離正態(tài)分布的樣本主要集中于風(fēng)眼區(qū)等風(fēng)向急劇轉(zhuǎn)換的區(qū)域,靠近前眼壁區(qū)的樣本在相干結(jié)構(gòu)提取后偏度系數(shù)與峰度系數(shù)基本上接近正態(tài)分布,但是靠近后眼壁風(fēng)速爬升階段的樣本在提取相干結(jié)構(gòu)后偏度系數(shù)和峰度系數(shù)依舊展現(xiàn)出較強的非高斯特性.表1為平穩(wěn)樣本和非平穩(wěn)樣本在提取相干結(jié)構(gòu)前后偏度系數(shù)γ3與峰度系數(shù)γ4的統(tǒng)計特性.由表1可見,提取相干結(jié)構(gòu)之后無論是平穩(wěn)樣本還是非平穩(wěn)樣本,其偏度系數(shù)γ3與峰度系數(shù)γ4的均值與離散程度均有所降低,且提取前非平穩(wěn)樣本對應(yīng)值明顯大于平穩(wěn)樣本.在相干結(jié)構(gòu)提取后,樣本的正偏特性(γ3>0)有所改善,偏度系數(shù)在平穩(wěn)樣本提取相干結(jié)構(gòu)前后下降了約57%,在非平穩(wěn)樣本提取相干結(jié)構(gòu)前后下降了約65%.相干結(jié)構(gòu)提取后無論是平穩(wěn)樣本還是非平穩(wěn)樣本,概率分布均接近于對稱分布.提取相干結(jié)構(gòu)后,平穩(wěn)風(fēng)速時程樣本更趨近于硬化非高斯過程,而非平穩(wěn)風(fēng)速時程樣本則由軟化非高斯過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛不歉咚惯^程.
圖4 0814號強臺風(fēng)“黑格比”相干結(jié)構(gòu)對脈動風(fēng)速樣本偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的影響 (a)偏度系數(shù);(b)峰度系數(shù)Fig.4 Influence of coherent structure on(a)skewness and(b)kurtosis of fluctuating wind speeds in 0814 strong typhoon Hagupit.
表1 樣本偏度系數(shù)與峰度系數(shù)變化統(tǒng)計Table 1 Variation of statistics of samples'skewness and kurtosis
風(fēng)場湍流參數(shù)是工程建筑結(jié)構(gòu)進行抗風(fēng)設(shè)計的核心輸入?yún)?shù),其估值的準(zhǔn)確性是進行建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載準(zhǔn)確估算的關(guān)鍵所在.現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)關(guān)于風(fēng)場湍流參數(shù)的規(guī)定主要是基于大量實測平穩(wěn)風(fēng)速時程樣本來制定的,實測臺風(fēng)場所展現(xiàn)出來的強非平穩(wěn)特性,使得基于規(guī)范對湍流特性的估值與臺風(fēng)場的實際情況存在一定偏差.基于將實測臺風(fēng)場脈動風(fēng)速分為含相干結(jié)構(gòu)的非平穩(wěn)部分與提取相干結(jié)構(gòu)后的平穩(wěn)部分,本研究系統(tǒng)地量化分析相干結(jié)構(gòu)對順風(fēng)向脈動風(fēng)速湍流特性(湍流強度、積分尺度、陣風(fēng)因子和峰值因子等)的影響,為臺風(fēng)影響區(qū)湍流參數(shù)的準(zhǔn)確估值提供參考.
圖5(a)為0814號強臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)速樣本在提取相干結(jié)構(gòu)前后湍流強度Iu的變化.由圖5(a)可見,非平穩(wěn)樣本所對應(yīng)的湍流強度值明顯大于平穩(wěn)樣本,且在眼壁附近以及局部螺旋雨帶區(qū)出現(xiàn)了異常偏大值;無論是平穩(wěn)樣本還是非平穩(wěn)樣本,在提取相干結(jié)構(gòu)之后,湍流強度均有一定程度的下降(表2).在相干結(jié)構(gòu)提取前,平穩(wěn)樣本和非平穩(wěn)樣本的湍流強度分別為7.10×10-2和1.07×10-1,樣本非平穩(wěn)性會增大樣本的湍流脈動特性值.全體樣本的湍流強度平均值為1.00×10-1,相干結(jié)構(gòu)提取后(表3),兩類樣本的湍流強度均有下降,全體樣本湍流強度平均值為6.76×10-2,下降了32.4%.
圖5 0814號強臺風(fēng)“黑格比”相干結(jié)構(gòu)對脈動風(fēng)速湍流特性的影響(a)湍流強度Iu;(b)湍流積分尺度Lu;(c)陣風(fēng)因子Gu;(d)峰值因子PuFig.5 Influence of coherent structure on turbulent characteristics(a)turbulence intensity Iu,(b)turbulence integral scale Lu,(c)gust factor Gu,and(d)peak factor Pu of fluctuating winds in 0814 strong typhoon Hagupit.
表2 原始樣本湍流特性Table 2 Turbulent characteristics of fluctuating wind speed samples
表3 相干結(jié)構(gòu)提取前后湍流特性值統(tǒng)計Table 3 Statistics of turbulence characteristic before and after the extraction of coherent structures
圖5(b)為0814號強臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)速樣本在提取相干結(jié)構(gòu)前后積分尺度Lu的變化趨勢.與湍流強度的統(tǒng)計結(jié)果類似,提取相干結(jié)構(gòu)后積分尺度亦呈下降趨勢,且在相干結(jié)構(gòu)提取前非平穩(wěn)樣本的積分尺度均值為615 m,明顯大于平穩(wěn)樣本的均值(196 m),這主要是因為非平穩(wěn)樣本中存在大量低頻的相干結(jié)構(gòu).相干結(jié)構(gòu)提取后全體樣本積分尺度的平均值為469 m,較提取前的542 m下降了13%.
圖5(c)為0814號強臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)速樣本在提取相干結(jié)構(gòu)前后陣風(fēng)因子Gu的變化趨勢.在相干結(jié)構(gòu)提取前,平穩(wěn)樣本和非平穩(wěn)樣本的陣風(fēng)因子分別為1.04和1.25,全體樣本的平均值為1.24.相干結(jié)構(gòu)提取后,全體樣本的陣風(fēng)因子平均值下降為1.16,下降了6.42%.
圖5(d)為相干結(jié)構(gòu)提取前后峰值因子Pu的變化.由圖5(d)可見,在相干結(jié)構(gòu)提取后,峰值因子呈現(xiàn)出不同程度的增大與減?。喔山Y(jié)構(gòu)提取前平穩(wěn)樣本和非平穩(wěn)樣本的峰值因子平均值分別為2.13和3.34,非平穩(wěn)性導(dǎo)致峰值因子值偏大了36.4%.相干結(jié)構(gòu)提取后,全體樣本的峰值因子平均值為2.41,較提取前增加了2.55%,這可能是相干結(jié)構(gòu)提取后樣本方差減小所致.
脈動風(fēng)速譜反映了風(fēng)速能量在不同頻率段的分布特性,是進行建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)分析的關(guān)鍵.平穩(wěn)風(fēng)樣本與各類經(jīng)典譜模型(von Karman譜、Davenport譜及Kaimal譜等)具有較好的一致性,然而對非平穩(wěn)風(fēng)速樣本,由于樣本的非平穩(wěn)性差異較大,目前尚未建立具有較好通用性的演化功率譜模型.由2.1節(jié)的分析可知,相干結(jié)構(gòu)是風(fēng)速時程樣本具有非平穩(wěn)特性的根本所在,因此,本研究從時頻角度分析相干結(jié)構(gòu)對脈動風(fēng)速樣本能譜特性的影響.
圖6(a)為0814號強臺風(fēng)“黑格比”前眼壁強風(fēng)區(qū)1個10 min時長(04∶00—04∶10時間段)的脈動風(fēng)速示例樣本(非平穩(wěn)樣本)在相干結(jié)構(gòu)提取前后歸一化風(fēng)功率譜的變化情況.由圖6(a)可見,受低頻相干結(jié)構(gòu)的影響,在頻率小于0.048 Hz時,相干結(jié)構(gòu)提取后的重構(gòu)樣本功率譜密度明顯低于原始樣本;在大于0.048 Hz時,前者的功率譜密度則明顯大于后者.圖6(b)所示為0814號強臺風(fēng)“黑格比”后眼壁強風(fēng)區(qū)1個10 min時長(06∶50—07∶00時間段)脈動風(fēng)速示例樣本(非平穩(wěn)樣本)在相干結(jié)構(gòu)提取前后功率譜的變化情況,由圖6(b)可見,受高頻相干結(jié)構(gòu)的影響,在提取高頻相干結(jié)構(gòu)后,頻率小于0.028 Hz時,重構(gòu)信號功率譜密度較原始信號更大,頻率大于0.028 Hz時則相反.圖6(c)為0814號強臺風(fēng)“黑格比”1個10 min時長的平穩(wěn)樣本(09∶30—09∶40時間段)在相干結(jié)構(gòu)提取前后的功率譜密度變化,由圖6(c)可見,重構(gòu)信號的功率譜密度與原始信號基本一致,受相干結(jié)構(gòu)作用較?。溆鄻颖臼芟喔山Y(jié)構(gòu)的影響情況與上述樣本的分析結(jié)果基本一致,限于篇幅不再一一贅述.
圖6 0814號強臺風(fēng)“黑格比”相干結(jié)構(gòu)對順風(fēng)向脈動風(fēng)速樣本功率譜的影響 (a)前眼壁樣本(04∶00—04∶10);(b)后眼壁樣本(06∶50—07∶00);(c)平穩(wěn)樣本(09∶30—09∶40)Fig.6 Influence of coherent structure on power spectrum of longitudinal wind speed samples as(a)frontside eye wall(04∶00—04∶10),(b)backside eye wall samples(06∶50—07∶00),and(c)stationary samples(09∶30—09∶40).The black line represents the power spectrum of original samples,the red line represents the pow spectrum of reconstructed samples without coherent structures,the cyan line represents the Kaimal spectrum and the blue dash line represents the Davenport spectrum.
對0814號強臺風(fēng)“黑格比”前述兩個非平穩(wěn)樣本采用sym10小波進行8級分解,可得到相干結(jié)構(gòu)在各頻率段上的持時與能量貢獻情況,具體請掃描文末右下角二維碼查看圖S1.相干結(jié)構(gòu)存在于風(fēng)速樣本的各頻率區(qū)段,且以中低頻段為主.相干結(jié)構(gòu)在各頻率段表現(xiàn)出間歇性特征,持時占比較小,能量貢獻顯著.
圖7為0814號強臺風(fēng)“黑格比”所有樣本的相干結(jié)構(gòu)持時和能量占比.由圖7可見,無論是平穩(wěn)樣本還是非平穩(wěn)樣本,相干結(jié)構(gòu)的持時占比介于5%~20%,能量貢獻占比則介于30%~70%.整個臺風(fēng)過程平穩(wěn)樣本和非平穩(wěn)樣本的相干結(jié)構(gòu)的持時、能量占比統(tǒng)計結(jié)果可掃描文末右下角二維碼查看表S1獲得.相干結(jié)構(gòu)持時占比均值為10.6%,而能量占比均值達到了40.5%;平穩(wěn)樣本的相干結(jié)構(gòu)持時占比均值為10.5%,能量占比均值為38.4%;非平穩(wěn)樣本的相干結(jié)構(gòu)持時占比均值約為12.2%,能量占比均值為49.1%.
圖7 0814號強臺風(fēng)“黑格比”相干結(jié)構(gòu)持時與能量占比Fig.7 Duration and energy ratio of coherent structure of 0814 strong typhoon Hagupit.The cyan dot dash line represents the duration ratio(left axis)of coherent structures,the orange line represents the energy ratio(right axis)of coherent structures,the blue circlerepresents the stationary samples and the purple star represents the nonstationary samples.
利用小波變換等信號處理技術(shù)對0814號強臺風(fēng)“黑格比”的實測順風(fēng)向脈動風(fēng)速時程樣本進行了相干結(jié)構(gòu)的辨識與提取,系統(tǒng)分析相干結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)風(fēng)場脈動風(fēng)速統(tǒng)計特性與湍流特性的影響,可知:
1)相干結(jié)構(gòu)是造成實測臺風(fēng)場風(fēng)速樣本具有非平穩(wěn)性與非高斯性的重要原因,經(jīng)相干結(jié)構(gòu)提取之后,77%的非平穩(wěn)樣本通過了平穩(wěn)性檢驗,且樣本統(tǒng)計特性參數(shù)接近于正態(tài)分布.
2)非平穩(wěn)樣本湍流特性參數(shù)值明顯大于平穩(wěn)樣本,經(jīng)相干結(jié)構(gòu)提取后樣本湍流特性值整體降低6.42%~32.4%,接近于平穩(wěn)樣本統(tǒng)計值.
3)相干結(jié)構(gòu)存在于風(fēng)速樣本的各個頻率區(qū)段,且以中低頻段為主.相干結(jié)構(gòu)在各頻率段表現(xiàn)出間歇性特征,持時占比均較小,能量貢獻顯著.低頻段表現(xiàn)為趨勢性,高頻段則表現(xiàn)為間歇性.
4)對于平穩(wěn)樣本,相干結(jié)構(gòu)持時占比約為10.5%,能量占比達到38.4%;對于非平穩(wěn)樣本,相干結(jié)構(gòu)持時占比約為12.2%,能量占比達49.1%.對于整體樣本,持時占比均值為10.6%,能量占比均值為40.5%.