土木工程相关的台风近地风场实测研究

徐 安,傅继阳,赵若红,吴玖荣

(1.温州大学建筑与土木工程学院,浙江温州325000；2.广州大学与淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心,广东广州510006)

0 引 言

风荷载是作用于建筑结构的一种典型的动力荷载,其对建筑结构物的作用效果是由风特性决定的。与建筑结构风荷载直接相关的风特性主要有:平均风速风向、湍流强度、峰值因子、湍流积分长度和脉动风速谱等[1]。这些风特性是由大气运动中动量、热量、水分等的输送与平衡以及边界层的摩擦等因素所决定的[2,3]。不同尺度、不同类型的天气过程,它的驱动因素和运动特征是不一样的[4]。现行的建筑结构抗风设计规范中关于风荷载的平均风和脉动风特性大部分是根据季候风的研究结果得到的,由于在季候风中,大气运动中动量、热量、水分等的运输与平衡与台风有显著的差别,所以季候风特性与台风的风特性也有显著的差别[4～6]。台风的强度一般要远大于季候风的强度,在台风影响地区,土木工程结构抗风设计主要是针对台风作用。因此,为了更好地把握台风对土木工程结构的作用,为台风影响地区土木工程结构的抗风设计提供科学依据,需要专门进行台风特性的研究。因此对于台风近地风场的实测研究一方面有助于提升对其特性的认识,为在风洞试验或CFD模拟中更好地模拟实际台风风场提供指南,另一方面也可以校验实测中各种仪器的测试性能,为以后的台风风场实测研究积累经验,目前国内这方面的研究报告还较少。

本文采用两种不同型号的超声风速仪详细观测了2006年台风“珍珠”和台风“派比安”登陆时的风速和风向变化历程,并分析了台风过程的10分钟和1小时平均风速变化历程、概率密度分布、风向角、风攻角、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速谱,总结了台风风场特性,同时对比分析了各种测试仪器的性能,并对脉动风速谱进行了拟合。

1 台风观测情况

1.1 台风“珍珠”

0601号台风“珍珠”于06年5月18日2时15分在饶平县和汕头澄海区交界地区登陆,观测地点位于广东省饶平县海山镇欧边村的70m梯度风观测塔,地理坐标位于东经 117.002°,北纬 23.551°。台风登陆时台风中心直接经过观测点。CSAT3型超声风速仪安装在离地面5m高度处,经水平校正,仪器探头朝向正东方向；HD2003型超声风速仪安装在离地面10m高度处,由于安装时风雨太大,仪器白色盒面未能按要求朝向正南方向,而是朝向南偏东20°方向(据此在进行数据处理时已进行了修正)。台风“珍珠”的有效数据记录时间为:2006年05月17日9:57～2006年05月18日7:40。

1.2 台风“派比安”

0606号台风“派比安”于2006年8月3日晚上7:20登陆,观测地点位于茂名市电白县电城镇博贺海洋气象观测站,地理坐标:东经:111.315°,北纬:21.452°。观测站三面临海,仅有西北方向与大陆相连。塔的东面视野开阔；塔的南面没有植被遮挡,地势平坦。该塔5m和10m高处东西方向分别安装了三维超声测风仪和螺旋桨,其中塔身5m处,塔的正东面安装CSAT3三维超声测风仪,经水平校正,仪器探头按要求朝向正东方向；正西面则安装了螺旋桨(螺旋桨的位置比Delta三维超声测风仪要稍微高点),调节水平气泡居中；塔身10m位置的正东方向上安装了HD2003型三维超声测风仪,正西面安装了螺旋桨(螺旋桨的位置比HD2003型三维超声测风仪要稍微高点)。按照要求以上四台仪器的基准面均朝向正南方向。依次将CSAT3型三维超声风速仪、HD2003型三维超声风速仪、螺旋桨、1-WIRE型地温仪和52203型雨量计与TF-1型数据采集器连接,然后将数据采集器与输出电压12V的蓄电池连接,并用较长的数据线连接数据采集器,数据线的另外一端则连接越野车上的工作用手提电脑,检测仪器是否正常工作。台风“派比安”的有效数据记录时间为:2006年8月3日11:01～2006年8月4日9:45。

需要说明的是,由于我国《建筑结构荷载规范》中基本风压的观测标准高度为10m,故将HD2003型超声风速仪安装在10m高度处。又由于在观测塔上仪器安装位置的限制,部分仪器安装在5m高度处,所观测到的数据可作为参考。

2 数据处理方法

对于本文采用的三维超声风速仪,记录样本为三个方向的风速数据 ux、uy、uz,则水平平均风速U 、风向角α和风攻角φ为:

式中:N为样本数。x、y、z坐标及风向角和风攻角如图1所示。

图1 坐标系及风向示意图Fig.1 Frame of axes and wind direction

湍流强度定义为10min时距内脉动风速标准差与水平平均风速的比值,反映了风的脉动强度,是描述大气湍流的参数。对于纵向脉动风速u(t)、横向脉动风速v(t)和竖向脉动风速w(t),湍流强度可用下式表示:

风的脉动强度也可用阵风因子G来表示,阵风因子一般定义为阵风持续期tg内的平均风速最大值与10分钟时距的水平平均风速U之比,本文中tg取为3s。

3 观测数据分析

3.1 不同仪器观测的风速极值

由于采样频率的差别,两种仪器观测的瞬时脉动风压变化历程有一定差异。实际上,两台仪器测得的最大风速指标相差很大,如表1所示。由于采样频率较高的仪器能够获得更为完整和精确风速变化信息,因此本文中平均风速、湍流强度和脉动风速谱等分析中均采用CSAT2003的采样数据。

表1 两种仪器测得的台风“珍珠”极值风速比较Table1 Peak wind speed observed by two kind of instruments during typhoon Chanchu

3.2 平均风速变化历程

图2显示了两次台风过程的1小时平均风速变化历程。由图可见,台风登陆过程中,平均风速有一个明显的先增大后减小的过程。台风“派比安”的观测站正好位于台风眼,因此在观测过程中,出现了一段风速特别小的时间,随着台风中心的迁移,观测站逐渐进入眼壁和螺旋雨带部分,风速急剧增大。随着台风中心逐渐远离观测站,风速渐渐变小。台风中心经过观测站时,风向会发生180°的变化。

3.3 风向角与风攻角变化历程

台风“珍珠”和“派比安”10min平均风向角与风攻角的变化历程分别如图3和图4所示。由图可知,当台风经过观测站时,风向发生了180°的转向,由于台风内部结构竖向上存在着对流现象,所以台风经过观测站时,风攻角的变化尤为剧烈,风攻角的变化在桥梁和大跨屋盖的结构抗风设计中有着很大的影响,但目前的风洞试验模拟仍以水平流场为主,如何真实模拟台风风场风攻角的变化仍有待研究。

3.4 脉动风速的概率分布

对台风“珍珠”和“派比安”的观测数据按10min时距分段研究结果表明,台风过程的高风速和低风速情况下的脉动风概率密度分布有所差异,由于篇幅所限,本文仅列出台风“珍珠”过程中,10m观测高度处相对高风速和相对低风速的两个时段进行说明,如图5所示。将实测风速的均值和标准差作为参数,绘制正态分布的概率密度函数,比较可知,在10min平均风速为18.31m/s时,概率分布接近正态分布；而在10min平均风速为32.34m/s时,其概率分布规律与正态分布相差较大,主要表现在脉动风速在平均风速附近出现的概率明显较大。在结构风工程的研究中,通常假定脉动风是由稳定气流和一系列的旋涡叠加而成[7]。在此假定的基础上,本文分析认为,脉动风可以看作是稳定流场和一系列旋涡叠加的结果,在绝对风速较大时,风速构成以稳定流为主,旋涡对于风速的影响较小。

图2 台风过程的1小时平均风速变化历程Fig.2 Hourly mean wind speed during typhoon Chanchu and Prapiroon

图3 台风“珍珠”风向变化历程Fig.3 Wind direction during typhoon Chanchu

图4 台风“派比安”风向变化历程Fig.4 Wind direction during typhoon Prapiroon

通过对概率分布图形的进一步分析,当峰值因子取3.0时,按式(1)计算得到的峰值风速在台风“珍珠”和“派比安”过程中实测的10分钟最大风速超越概率相应Upeak的概率不大于2%,因此认为,采用式(8)通过平均风速计算最大风速是可行的。

3.5 湍流强度与阵风因子

台风“珍珠”和“派比安”湍流强度的变化历程以及与10分钟平均风速的关系分别如图6和图7所示。已有的研究表明,湍流强度与阵风因子间有近似的线性关系,本文对两次台风过程分别进行了拟合,台风“珍珠”和“派比安”的拟合结果分别如式(9)和(10)所示,对应的实测数据与拟合曲线的比较见图8。

3.6 湍流积分尺度

通过气流某一点的速度脉动,可以认为是由平均风所输送的一些理想的涡旋叠加引起的。因此大气边界层的湍流涡旋可以看做频率为n的周期脉动,定义涡旋的波长λ=U/n,其中U为平均风速,这个波长就是涡旋大小的量度,湍流积分尺度是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。由于直接采用空间相关函数计算湍流积分尺度需要进行空间多点的同时测量,这往往难以实现,而已有研究表明用自相干函数积分所得湍流积分尺度计算简单且结果稳定,本文采用自相关函数积分法计算两个台风的湍流积分尺度。其结果如图9和图10所示。

图5 不同风速下脉动风概率密度分布Fig.5 Probability distribution of different fluctuating wind speed

图6 台风过程中纵向湍流强度变化历程Fig.6 Turbulence intensity during typhoon Chanchu and prapiroon

图7 纵向湍流强度与10min平均风速的关系Fig.7 Relationship of longitudinal turbulence intensity and 10 min wind speed

图8 阵风因子与湍流强度的关系Fig.8 Relationship of gust wind facotor and turbulenceintensity

3.7 脉动风速谱

脉动风速谱能够清晰展示脉动风能量在频率域的分布,是表达风场特性的重要指标。脉动风速谱包括顺风向、横风向及竖向脉动风速谱。结构风工程的研究重点通常集中于顺风向脉动风速谱。目前常用的顺风向脉动风速功率谱有Davenport谱、Kaimal谱和修正Karman谱等。

根据Kolmogrove理论,频域内纵向脉动风可以用统一形式的功率谱密度S(z,n)来表示:

定义衡量实测谱与经验谱或拟合谱之间吻合程度的指标为:

台风“珍珠”的实测风速谱与Kaimal谱较为吻合,因此根据Kaimal谱曲线形式对其进行拟合,如下式所示:

其中,P1,P2,P3,P4是待拟合的参数,取值均大于0,f=,z为实测仪器高度。拟合结果如图11和表2所示。

图9 台风“珍珠”的湍流积分尺度Fig.9 Turbulence integral length scaleof typhoon Chanchu

图10 台风“派比安”Fig.10 Turbulence integral length scale of typhoon Prapiroon

图11 台风“珍珠”基于Kaimal谱拟合Fig.11 Wind speed spectrum fitted by Kaimal spectrum of typhoon Chanchu

表2 台风“珍珠”基于Kaimal谱的参数拟合结果Table2 Parameters of fitting results of typhoon Chanchu

而台风“派比安”的实测风速谱则与Karman谱较为吻合,因此采用karman谱的曲线形式对实测风速谱进行了拟合。拟合公式形式与式(13)相同,f=。为平均风速。拟合结果如图12和表3所示。

图12 台风“派比安”基于Von Karman谱拟合Fig.12 Wind speed spectrum fitted by Karman spectrum of typhoon Prapiroon

表3 台风“派比安”基于Von Karman谱的参数拟合结果Table3 Parameters of fitting results of typhoon Prapiroon

4 结束语

采用两种三维超声风速仪对台风“珍珠”与“派比安”进行了现场实测,根据实测数据比较了不同风速仪的记录结果。对台风的风速时程、风向角、风攻角变化进行了分析。讨论了其脉动风速的概率分布与峰值因子的取值。计算了两个台风的湍流强度和阵风因子,并对其之间的线性关系进行了拟合,得出以下基本结论:(1)超声风速仪的采样频率对于极值风速的观测结果有较大的影响,采样频率高的仪器观测结果更为精确。(2)台风登陆过程中,平均风速存在先增大后减小的过程,特别是当风眼通过观测站是,其平均风速相对很小。台风风眼通过观测站前后,风向发生180°的转向,其风攻角的变化也很剧烈,风洞试验中如何模拟风攻角变化有待进一步研究。(3)平均风速较小时,其脉动风速概率分布接近正态分布,但平均风速较大时,其脉动风速概率分布则与正态分布相差较大。通过分析还可知,峰值因子取为3.0时,最大风速的超越概率小于2%。(4)阵风因子与湍流强度之间存在线性关系,本文对其进行了拟合。(5)实测风速谱均可与某种理论谱模型较好吻合,通过拟合,可以进一步降低实测谱与理论谱的偏差。

致谢:广东省气象局提供了台风过程的观测数据,在此深表谢意!

[1]张相庭.工程结构风荷载理论及抗风计算手册(M).上海:同济大学出版社.1990:56.

[2]许丽人,李宗凯,张宏.不同下垫面上近地层湍流的多尺度属性研究[J].气象学报.2000,50(l):83-94.

[3]葛耀君,赵林,项海帆.基于极值风速预测的台风数值模型评述[J].自然灾害学报.2003,12(3):31-40.

[4]胡晓红,葛耀君,庞加斌.上海“派比安”台风实测结果的二维脉动风谱拟合[A].第十届全国风工程学术论文集[C].2000:76-83.

[5]LI Q S,XIAO Y Q,WONG C K,JEARY A P.Field measurements of typhoon effects on a super tall building[J].Engineering structures,2004,26(2):233-244.

[6]LI Q S,WU J R,LIANG S G,XIAO Y Q,WONG C K.Full-scale measurements and numerical evaluation of wind-induced vibration of a 63-story reinforced concrete tall building[J].Engineering structures,2004,26(12):1779-1794.

[7]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社.2004:48.