上海环球金融中心顶部台风“灿鸿”风速实测

黄子逢， 顾　明

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)



上海环球金融中心顶部台风“灿鸿”风速实测

黄子逢， 顾明

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

基于上海环球金融中心顶部(494 m)采集到的台风“灿鸿”风速数据，对平均风速、湍流强度、阵风因子和峰值因子进行了分析.用广义风速谱拟合的方法计算湍流积分尺度，运用拟合参数将风速谱与Von Karman谱进行对比.研究结果表明：10 min最大平均风速与1 h平均风速，3 s最大平均风速与10 min平均风速均有较好的线性关系；顺风向和横风向阵风因子与湍流强度之间都满足线性关系；顺风向和横风向湍流积分尺度随10 min平均风速的增加而增加；本次实测得到的风速谱与Von Karman谱有一定差距.

台风“灿鸿”； 现场实测； 湍流积分尺度； 风速谱拟合

台风是一种具有很强破坏力的灾害性天气系统.对于超高层柔性结构，风荷载在总荷载中往往起控制作用.而建有大量200～600 m高层建筑、高耸结构的中国东南沿海地区是台风登陆的多发区.因此，与风荷载密切相关的风特性研究的重要性日益凸显.风速现场实测是研究高层建筑风特性的重要方法，国外一些国家通过风速实测建立了本地区风特性数据库，如挪威的Froya数据库[1]；加拿大和英国的近海观测数据库等.美国Sparks、日本Kato和Ohukuma等近些年来进行的大规模观测工作也得到了比较完整的分析结果[2].在中国，Li等[3]、An等[4]、Quan等[5]、Xu等[6]和顾明等[2,7]在香港地区和大陆沿海地区进行了台风和良态风的高空实测研究工作.由于上海的纬度相对较高，到达上海的台风数量较少，上海地区台风高空实测数据比较稀缺，因此在上海地区进行台风高空实测对了解中国东部高空风特性及扩充上海地区风速数据库非常重要.

本文基于上海环球金融中心顶部(494 m)采集到的台风“灿鸿”风速数据，对平均风速、湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱进行了详细的分析.

1　台风“灿鸿”

2015年6月30日，2015年第9号台风“灿鸿”(英文名Chan-hom)在太平洋海面上生成.7月11日16:40，“灿鸿”以强台风级别在浙江省舟山朱家尖登陆，随后“灿鸿”沿着上海东部海面向北偏东方向移动，强度由强台风逐渐减为台风.图1为台风“灿鸿”路径图.

图1　台风“灿鸿”路径

2　上海环球金融中心顶部风速实测概况

如图2所示，上海环球金融中心位于上海陆家嘴区，其高度为494 m，地上共有101层.其周围竖立着大量高层及超高层建筑，金茂大厦(420.5 m)位于环球西北部，上海中心(632 m)位于环球西南部，因此环球周边地貌极其复杂.

a 全景

b 俯视图

Fig.2Overview and aerial view of Shanghai World Financial Center

两个Windmaster Pro超声波风速仪(图2，图3)分别安装于上海环球金融中心楼顶的东北角和西南角(高494 m)，其水平距离为71.6 m.风速仪三个分量U,V,W对应的方向分别为正北、正西、竖直向上，风向角以指向正北方向为0°，按俯视逆时针方向递增，如图3所示.风速量程为0.01～65 m·s-1，采样频率为10 Hz.由于环球建筑本身、擦窗机及顶部矮女儿墙会对气流产生影响，根据CFD(computational fluid dynamics，计算流体动力学)模拟可知，当来流方向在以东北角和西南角连线为平分线22.5°范围内可忽略上述影响，即东北端有效风向角为112.5°～157.5°，西南端有效风向角为292.5°～337.5°.

图3　风速仪及其U,V轴定义

Fig.3WindMaster Pro ultrasonic anemometer and its definition ofU,Vaxes

3　台风“灿鸿”风特性分析

本文选取2015年7月10日18:30至2015年7月12日15:30共45 h的风速时程作为分析样本.由于风速竖向分量对高层建筑影响较小，本文仅对水平风速进行分析.风速仪U,V方向对应的风速分量分别为U(t),V(t).西南端10 min平均风向角不在有效范围内，本文只对东北端的数据进行分析.

3.1平均风速和平均风向角

(1)

顺风向和横风向脉动风速分量u(t),v(t)的计算公式为

(2)

图4和图5为环球顶部东北端顺风向10 min平均风速和10 min平均风向角变化情况.由图4可知，东北端10 min平均风速由16.3 m·s-1开始逐渐增加，最大风速达到26.35 m·s-1.平均风速在25 m·s-1左右持续了7 h，随后逐渐减小，最终减小到6 m·s-1.由图5可知，东北端10 min平均风向角在前26 h内稳定在120°左右，然后随着台风向北移动，风向角逐渐增加，最后稳定在260°左右.

图4　10 min平均风速

图5　10 min平均风向角

假定本次台风平均风速剖面满足指数率，其公式为

(3)

式中:HG为梯度风高度;UG为梯度风速;α为粗糙指数.由《建筑结构荷载规范》[8]可知，B类地貌中HG取为350 m，α取为0.15;D类地貌中HG取为550 m，α取为0.3.

将环球金融中心所在的陆家嘴地区取为D类地貌，实测得到的台风最大10 min平均风速26.35 m·s-1作为环球顶部494 m的10 min平均风速.根据梯度风速不随地貌改变这一条件，由式(3)可计算得本次台风作用下，上海地区B类地貌，10 m高度最大10 min基本风速v10为15.96 m·s-1，对应的基本风压为ω=0.5ρv102=0.5×1.25×15.962/1 000=0.159 kPa，ρ为空气密度.假定基本风压满足极值I型分布，根据《建筑结构荷载规范》[8]给出的上海地区10年和100年重现期的基本风压ω10=0.4 kPa，ω100=0.6 kPa，及基本风压ωR与其对应重现期R的关系为

(4)

可以算出由本次台风实测结果推算的上海地区10 m高度基本风压ω=0.159 kPa对应的重现期为3年.

图6为1 h内时距为3 s,10 min和1 h时的平均风速.1 h平均风速比10 min最大平均风速略小，而3 s最大平均风速明显大于10 min最大平均风速，其最大值可达到35 m·s-1.三个平均时距平均风速的变化趋势一致.

图6　1小时内不同平均时距最大平均风速

Fig.6Maximum mean wind speeds in 1 hr for different durations

不同平均时距风速的相互关系对于结构抗风设计具有重要参考价值，这里取平均风速大于16 m·s-1的风速段进行分析.图7和图8分别为3 s最大平均风速随10 min平均风速变化关系和10 min最大平均风速随1 h平均风速变化关系，两图同时给出了变量之间的线性拟合关系.结果表明,10 min最大平均风速与1 h平均风速有很好的线性关系：y=1.049x+0.204，10 min平均风速的标准差较小，大部分都小于1 m·s-1.3 s最大平均风速与10 min平均风速也呈现线性关系：y=1.206x+0.693，3 s平均风速的标准差较大，变化范围是1.5～3.5 m·s-1.

3.2脉动风特性分析

本文取2015年7月10日18:30至2015年7月11日20:40东北端风向角在有效范围内风速数据进行脉动风特性分析.

3.2.1湍流强度与阵风因子

湍流强度反映了脉动风的相对强度.湍流强度定义为平均时距内脉动风的标准差与平均风速的比值，这里平均风速分析时距取为10 min (下文中若无特别说明，平均时距均取10 min)：

图7　3 s最大平均风速随10 min平均风速变化关系

Fig.7Maximum 3 s mean wind speeds versus 10 min mean wind speeds

图8　10 min最大平均风速随1 h平均风速变化关系

Fig.8Maximum 10min mean wind speeds versus 1 h mean wind speeds

(5)

式中:σi(i=u,v)表示顺风向和横风向脉动风速分量的标准差.

图9为顺风向和横风向湍流强度Iu,Iv随10 min平均风速变化情况.由图可知，Iu变化范围是[0.061,0.155]，均值为0.107；Iv变化范围是[0.040,0.158]，均值为0.066.Iu∶Iv=1∶0.62.其中Iu随平均风速的增加没有明显的变化趋势，而Iv随着平均风速的增加而逐渐减小.An等[4]和Quan等[5]分别分析了台风“梅花”作用下和良态风下环球顶部脉动风的湍流强度随10 min平均风速变化情况.“梅花”作用下10 min平均风速范围是8～17 m·s-1，良态风下10 min平均风速范围是8～22 m·s-1.表1为三次实测中湍流强度结果的对比.从表1可以看出，台风“灿鸿”测得的两个方向湍流强度的变化区间和均值都要比“梅花”测得的湍流强度小，而“灿鸿”中10 min平均风速的变化范围(16～26 m·s-1)比“梅花”大.综合这两次台风实测结果可得,Iu,Iv随着10 min平均风速的增加而减小.Quan等[5]的实测结果表明，在良态风下，环球顶部Iu,Iv随着10 min平均风速的增加而减小，其结果与两个台风综合分析的结果一致.在日本规范(2004)[9]中，相同高度(494 m)，相同地貌(V类)的顺风向湍流强度值为0.11，与本次实测结果(0.107)一致.中国规范[8]中，相同高度(494 m)，相同地貌(D类)的顺风向湍流强度值为0.12，与本次实测结果也很接近.

图9　湍流强度与10 min平均风速关系

Fig.9Turbulence integral scales versus 10 min mean wind speeds

表1　湍流强度对比

阵风因子反映了阵风风速与平均风速的相对大小，阵风因子定义为阵风持续时间tg(本文取3 s)内最大平均风速与分析时距(10 min)平均风速U的比值，即

(6)

图10为顺风向、横风向阵风因子Gu,Gv随10 min平均风速变化情况.由图可知，Gu变化范围是[1.112,1.385]，均值为1.226；Gv变化范围是[0.088,0.705]，均值为0.177.Gu∶Gv=1∶0.14.其中Gu随平均风速的增加没有明显的变化趋势，而Gv随着平均风速的增加而逐渐减小.

An等[4]和Quan等[5]分别分析了台风“梅花”作用下和良态风下环球顶部阵风因子随10 min平均风速的变化情况.从表2可以看出，“灿鸿”与“梅花”

图10　阵风因子与10 min平均风速关系

测得的两个方向阵风因子变化区间的下限一致，“灿鸿”测得的变化区间上限和均值都要比“梅花”测得的结果小.综合这两次台风实测结果可得,Gu,Gv随着10 min平均风速的增加而减小.Quan等[5]的实测结果表明，在良态风下，环球顶部Gu,Gv随着10 min平均风速的增加而减小，其结果与两个台风综合分析的结果一致.

图11为顺风向、横风向阵风因子与湍流强度之间的关系.由图可知，两个方向的阵风因子均随着湍流强度的增加而增加.Cao等[10]给出了阵风因子和湍流强度关系非线性拟合的公式

表2　阵风因子对比

(7)

式中：T为平均时距，取为10 min;tg为阵风持续时间，取为3 s.

顺风向、横风向阵风因子与湍流强度之间关系的线性拟合结果分别为Gu=1.66Iu+1.05，Gv=4.57Iv-0.13.通过式(7)对顺风向、横风向阵风因子与湍流强度进行非线性拟合，结果分别为Gu=1+0.26Iu0.82ln(600/3)，Gv=2.17Iv1.56ln(600/3).由图11可知,两个方向非线性拟合结果与线性拟合结果均吻合较好，这说明该高度上顺风向、横风向阵风因子与湍流强度都满足线性关系.

图11　湍流强度与阵风因子

3.2.2峰值因子

峰值因子同样表现了脉动风速的瞬时强度，其定义式为

(8)

图12为峰值因子随10min平均风速变化情况.峰值因子的变化区间为[1.57,3.32]，均值为2.12.An等[4]测得台风“梅花”的峰值因子变化区间为[1.37，3.13],均值为2.11.本文实测峰值因子的变化区间和均值比“梅花”的结果略高，综合两次台风的实测结果可知,峰值因子随10min平均风速的增加有增加的趋势.

图12　峰值因子随10 min平均风速变化

3.2.3湍流积分尺度和风速谱

本文用实测风速对广义谱进行拟合来求湍流积分尺度，根据各向同性假设和相关函数与功率谱互为傅里叶变换这两个条件，推得顺风向和横风向广义风速分别为

(9)

图13为顺风向、横风向湍流积分尺度随平均风速变化的规律.Lu变化区间为[74 m,392 m]，均值为187 m；Lv变化区间为[27 m,183 m]，均值为72 m.Lu∶Lv=1∶0.38.An等[4]计算台风“梅花”湍流积分尺度的结果为：Lu均值为217.60 m，Lv均值为117.98 m.Quan等[5]计算了环球顶端良态风的湍流积分尺度：Lu均值为200 m，Lv均值为160 m，与An等和Quan等的结果对比可知,本次台风“灿鸿”的湍流积分尺度偏小.

Fig.13Turbulence integral scales versus 10min mean wind speeds

本文将广义风速谱拟合参数与Von Karman谱的参数进行对比，Von Karman谱公式为

(10)

图14和图15为顺风向和横风向实测风速谱(黄色实线)、拟合谱(绿色虚线)、平均拟合谱和对应的Von Karman谱.由图14可以看出，对于顺风向风速谱，平均拟合谱与Von Karman谱在低频区一致；平均拟合谱的峰值比Von Karman谱的略大，峰值对应的频率比Von Karman谱的略小；在高频区，平均拟合谱小于Von Karman谱.顺风向风速谱参数G的变化区间为[12.38,69.53]，均值为42.96；b的变化区间为[1.02,28.41]，均值为4.17；c变化区间为[0.06,2.36]，均值为0.65，这与Von Karman谱的70.8,2,5/6有一定差距.由上述分析可知，此次台风顺风向风速谱与Von Karman谱有一定差异.

图14　顺风向量纲一化风速谱

Fig.14Normalized spectra of longitudinal fluctuating wind speeds

图15　横风向量纲一化风速谱

Fig.15Normalized spectra of later fluctuating wind speeds

由图15可以看出，对于横风向风速谱，实测与拟合风速谱在低频区均比较集中，平均拟合谱的峰值比Von Karman谱峰值大，峰值频率比Von Karman谱峰值频率大.在高频区平均拟合谱要比Von Karman谱小.横风向平均拟合谱的参数F(1+βγ),F,γ,β分别为28.0,10.2,1.38,1.26，这与Von Karman谱的755.2,283,11/6,2有较大差距.由上述分析可知，此次台风横风向风速谱与Von Karman谱也有一定差异.

Kolmogorov通过量纲分析得出量纲一风速谱在惯性子区应该满足-2/3率，即bc-1=2/3.图16为拟合参数bc-1频率分布图.由图可知,bc-1变化区间为[0.5,1.2]，均值为0.79，比2/3大，且有80%的数据大于2/3，从统计的角度来看，本次台风顺风向风速并不满足-2/3率.Cao等[10]在其文献中提到，有些台风风速谱不满足Von Karman谱.

图16　参数bc-1频率分布

4　结论

(1) 10 min最大平均风速与1 h平均风速有很好的线性关系：y=1.049x+0.204，10 min平均风速的标准差较小，大部分都小于1 m·s-1.3 s最大平均风速与10 min平均风速也呈线性关系：y=1.206x+0.693，3 s平均风速的标准差较大，变化范围是[1.5 m·s-1,3.5 m·s-1].

(2) 顺风向和横风向湍流强度Iu，Iv均值分别为0.107和0.066，Iu∶Iv=1∶0.62.Iu随平均风速的增加没有明显的变化趋势，而Iv随着平均风速的增加而逐渐减小.

(3) 顺风向和横风向阵风因子Gu,Gv均值分别为1.226和0.177，Gu∶Gv=1∶0.14.Gu随平均风速的增加没有明显的变化趋势，而Gv随着平均风速的增加而逐渐减小.

(4) 顺风向和横风向阵风因子与湍流强度之间关系的线性拟合结果分别为Gu=1.66Iu+1.05，Gv=4.57Iv-0.13.两个方向非线性拟合结果与线性拟合结果均吻合较好，表明该高度上顺风向和横风向阵风因子与湍流强度都满足线性关系.

(5) 峰值因子的变化区间为[1.57,3.32]，均值为2.12.

(6) 顺风向和横风向湍流积分尺度Lu，Lv随着10 min平均风速的增加而增大，Lu，Lv的均值分别为187 m和72 m，Lu∶Lv=1∶0.38.

(7) 在环球金融中心顶部测得的台风“灿鸿”的顺风向风速谱与Von Karman谱有一定差异.

[1]Andersen O J, Løvseth J. The Frøya database and maritime boundary layer wind description[J]. Marine Structures, 2006, 19(2): 173.

[2]顾明, 匡军, 全涌, 等. 上海环球金融中心大楼顶部风速实测数据分析[J]. 振动与冲击, 2009, 28(12): 114.

GU Ming, KUANG Jun, QUAN Yong,etal. Field measurement of wind characteristics atop the Shanghai World Financial Center[J]. Journal of Vibration and Shock, 2009, 28(12): 114.

[3]Li Q S, Xiao Y Q, Fu J Y,etal. Full-scale measurements of wind effects on the Jin Mao building[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2007, 95(6): 445.

[4]An Y, Quan Y, Gu M. Field measurement of wind characteristics of Typhoon Muifa on the Shanghai World Financial Center[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2012, 2012:1.

[5]Quan Y, Wang S, Gu M,etal. Field measurement of wind speeds and wind-induced responses atop the shanghai world financial center under normal climate conditions[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2013, 2013:1.

[6]Xu Y L, Zhan S. Field measurements of Di Wang tower during typhoon York[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(1): 73.

[7]顾明, 匡军, 韦晓, 等. 上海环球金融中心大楼顶部良态风风速实测[J]. 同济大学学报:自然科学版, 2011, 39(11): 1592.

GU Ming, KUANG Jun, WEI Xiao,etal. Field measurement of wind speeds atop the Shanghai World Financial Center under normal climate conditions[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2011, 39(11): 1592.

[9]Jun Kanda. AIJ-RLB-2004 AIJ recommendations for loads on buildings[S]. Japan: Architecture Institute of Japan , 2004.

[10]Cao S, Tamura Y, Kikuchi N,etal. Wind characteristics of a strong typhoon[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2009,97(1): 11.

Field Measurement of Wind Characteristics of Typhoon Chan-hom on Shanghai World Financial Center

HUANG Zifeng, GU Ming

(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Based on the measured data of typhoon Chan-hom recorded atop Shanghai World Financial Center (494 m), the wind characteristics, such as mean wind speed, turbulence intensities, gust factors, and peak factors were analyzed. Turbulence integral scales were calculated by fitting a general spectral form to the measured wind velocity data. Wind speed spectra were compared with Von Karman spectra by using fitting parameters. It is shown that the correlation between the maximum 10 min mean wind speeds within 1 hr and the 1 hr mean wind speed, as well as that between the maximum 3 s mean wind speeds within 10 min and the 10 min mean wind speeds, both have a good linear relationship; the longitudinal and lateral gust factors are both linear with the turbulence intensities; the longitudinal and lateral turbulence integral scales increase as the mean wind speeds increase; and there exist some differences between the measured wind speed spectra and the Von Karman spectra.

typhoon Chan-hom; field measurement; integral length scale; fitting wind speed spectrum

2015-09-15

国家自然科学基金重大研究计划(90715040，91215302);土木工程防灾国家重点实验室课题(SLDRCE15-A-04)

黄子逢(1989—)，男，博士生，主要研究方向为高层建筑风速及响应实测分析.E-mail：zifengh22@163.com

顾明(1957—)，男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为结构抗风、数值风洞以及结构振动控制.

E-mail：minggu@tongji.edu.cn

TU317.2;TU312.1

A