一種港口塔吊水平風(fēng)荷載預(yù)報模型的設(shè)計和實現(xiàn)*

龍　強，王　暢，王　鋒,2，項青霞，蔣琳琳

(1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000；

3.冀東油田志達公司，河北 唐山 063020)

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一種港口塔吊水平風(fēng)荷載預(yù)報模型的設(shè)計和實現(xiàn)*

龍強1，王暢1，王鋒1,2，項青霞1，蔣琳琳3

(1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000；

3.冀東油田志達公司，河北 唐山 063020)

摘要：利用2012-06—2013-05渤海灣北岸曹妃甸港100 m風(fēng)能塔風(fēng)觀測資料，研究了空氣動力學(xué)粗糙度z0的月變化特征及其和地面10 m風(fēng)速之間的關(guān)系，并針對港口安全運營調(diào)度精細化氣象服務(wù)保障需求，設(shè)計了一種港口塔吊定點、定量水平風(fēng)荷載的預(yù)報模型。結(jié)果表明：受海陸風(fēng)和周圍環(huán)境的季節(jié)性變化影響，渤海灣北岸z0具有明顯的月變化特征；通過擬合確立了z0和地面10 m處10 min平均風(fēng)速在海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)兩個方位上的粗糙度方程，梯度風(fēng)速計算試驗顯示方程穩(wěn)定可用；基于以上結(jié)論建立了定點、定量風(fēng)荷載預(yù)報模型，預(yù)報試驗和程序開發(fā)結(jié)果表明，基于上述結(jié)論所建立的港口塔吊水平風(fēng)荷載計算模型正確可行，更適用于風(fēng)險預(yù)報業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：空氣動力學(xué)粗糙度；梯度風(fēng)；風(fēng)荷載；預(yù)報模型

除了地震作用的水平力外，高層構(gòu)筑物主要的側(cè)向荷載是風(fēng)荷載，在荷載組合時往往起控制作用。風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素之一，高層構(gòu)筑物在水平風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計引起了研究人員和工程師越來越多的重視[1-2]。對于垂直于建(構(gòu))筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算，GB 50009—2001 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》有相關(guān)說明和規(guī)定[3]。目前對風(fēng)荷載的相關(guān)技術(shù)規(guī)定和科學(xué)研究大多停留在設(shè)計階段，僅作工程項目風(fēng)險評估使用[4-7]。然而，工程項目落地并投入使用后，構(gòu)筑物在日常的運營作業(yè)中所面臨的情況要復(fù)雜一些[8-9]，不同地區(qū)和下墊面條件下的相關(guān)指標(biāo)和參數(shù)不一，將參數(shù)統(tǒng)一或歸類所獲得的風(fēng)荷載閾值并不能滿足安全管理人員對了解構(gòu)筑物承受實時風(fēng)荷載情況的需求，也無法實現(xiàn)對未來風(fēng)向、風(fēng)速條件下構(gòu)筑物所承受風(fēng)荷載的風(fēng)險預(yù)報。因此，設(shè)計一種便捷可用的構(gòu)筑物實時水平風(fēng)荷載計算模型對作業(yè)的安全運營保障具有重要的現(xiàn)實意義。

以塔吊這一港口重要的構(gòu)筑物作為研究對象，以渤海灣北岸曹妃甸港為設(shè)計案例，通過分析計算風(fēng)能塔觀測資料，獲取空氣動力學(xué)粗糙度特征，推算垂直梯度風(fēng)，并基于伯努利方程，對接氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品設(shè)計了一種港口塔吊水平風(fēng)荷載的實時計算和預(yù)報預(yù)測模型。

1資料與方法

研究所用數(shù)據(jù)來自建在渤海灣北岸的100 m風(fēng)能塔，其位于一個三面環(huán)海的半島上，共有5層觀測平臺，分別為100，70，50，30和10 m。風(fēng)能塔所在的位置如圖1所示。按照方向劃分，135°～315°為海-陸風(fēng)方向(即風(fēng)由海面吹向陸地)，0°～134°和316°～360°為陸-海風(fēng)向(即風(fēng)由陸地吹向海面)。

選取了2012-06-2013-05共計12個月(4個季節(jié))的風(fēng)速、風(fēng)向等觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間分辨率為1 h。

圖1　渤海灣北岸相關(guān)觀測站點的分布Fig.1　Locations of the related observation stations on the northern coast of the Bohai Bay

1.1空氣動力學(xué)粗糙度z0

計算空氣動力學(xué)粗糙度常用的方法有對數(shù)廓線擬合法、阻力法、質(zhì)量守恒法、壓力中心法以及無因次化風(fēng)速法。文中主要采用的是阻力法，其公式為

(1)

式中，σu為常數(shù)；U(zn)為高度zn處的風(fēng)速；κ是卡門常數(shù)，一般取0.4；Cu也為常數(shù)，和測風(fēng)儀器有關(guān)；zn具有長度量綱。上式適用于強風(fēng)狀況(U(z)>4.0 m/s)。根據(jù)數(shù)據(jù)實際情況和所采用的方法要求，需要對測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。

采用不同高度處的風(fēng)速帶入上式，做商即可消去相關(guān)常數(shù)，獲得空氣動力學(xué)粗糙度z0的值。

(2)

式中，zn為上層某一高度，U(zn)即為該高度處的風(fēng)速。由于氣象學(xué)地面風(fēng)觀測是位于10 m高度處，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品也是10 m高度處風(fēng)速，結(jié)合研究應(yīng)用需求，此次確定z為10 m，U(z)即為10 m高度處的風(fēng)速。

為進一步分析空氣動力學(xué)粗糙度隨季節(jié)、風(fēng)向和下墊面的變化及不同計算方法的適用情況，在z0特征分析部分增加了對數(shù)廓線擬合計算方法。對數(shù)廓線擬合法需要測得3個或3個以上高度的風(fēng)速，用最小二乘回歸所得的風(fēng)速資料為

U(zn)=a+blnzn。

(3)

按照粗糙度的定義，令式(3)中U(zn)=0即可得空氣動力學(xué)粗糙度z0

(4)

對數(shù)廓線擬合法更適用于中性大氣層結(jié)條件，風(fēng)速符合對數(shù)分布，對所測的風(fēng)速廓線質(zhì)量要求較高。

1.2基于z0的港口塔吊水平風(fēng)荷載計算模型

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面單位面積所受到的風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程可得出風(fēng)-壓關(guān)系。[10]邊界層內(nèi)港口塔吊水平風(fēng)荷載的實時計算可忽略近地層空氣密度的變化影響，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用風(fēng)速估計風(fēng)壓的通用公式[11]為

(5)

式中，wp為風(fēng)壓。根據(jù)式(3)則可以計算出zn高度處ds面積的風(fēng)荷載F(zn)：

F(zn)=wp·ds=U(zn)2·ds/1 600，

(6)

將塔吊機身視作矩形平面，便有ds=L·dzn，L為塔吊機身的寬。對式(4)采用垂直高度上的積分即可得塔吊水平風(fēng)荷載Fc:

(7)

式中，H為塔吊的高度，θ為風(fēng)向和塔吊平面的夾角(銳角)。

由式(1)和(7)可知，實現(xiàn)垂直塔臂水平風(fēng)荷載Fc的計算，主要是研究分析空氣動力學(xué)粗糙度z0的特征和計算方法。

2z0的特征分析

2.1z0的月變化特征

原始資料經(jīng)過質(zhì)量控制和篩選(U(z)>4.0 m/s)之后，通過式(2)和(3)得到空氣動力學(xué)粗糙度z0隨月份的變化關(guān)系。由圖2可知：阻力法和對數(shù)廓線擬合法的計算結(jié)果整體相差不大，隨季節(jié)的變化趨勢相同，但后者的計算值在夏季(6，7和8月)比前者偏小，在冬季(12，1和2月)則明顯相反，這是由于冬季層結(jié)整體較夏季穩(wěn)定，對數(shù)廓線擬合法更適用于穩(wěn)定層結(jié)條件；海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)條件下z0均具有明顯的季節(jié)性特征，春、夏季(3，4，5月和6，7，8月)的z0值明顯偏大，以6月的值最大，秋、冬季節(jié)(9，10，11月和12，1，2月)的z0值偏小，以12月的值最小。海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)的春季空氣動力學(xué)粗糙度的平均值分別是1.12 和0.24 m(阻力法計算結(jié)果，下同)，夏季的平均值分別是0.79和0.22 m，秋季的平均值均為0.09 m，冬季的平均值是0.12和0.11 m，可見海-陸風(fēng)的空氣動力學(xué)粗糙度整體較陸-海風(fēng)的偏大，這與風(fēng)向劃分的實際是相符的?？諝鈩恿W(xué)粗糙度出現(xiàn)這種季節(jié)性特征的主要原因是受周圍環(huán)境的影響，對陸-海風(fēng)而言，春、夏季的低矮植被相對茂盛，粗糙度較大；海-陸風(fēng)條件下風(fēng)從海面吹來，不同季節(jié)風(fēng)速情況相差顯著[12]，使得空氣動力學(xué)粗糙度也有季節(jié)性差別。

圖2　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下空氣動力學(xué)粗糙度z0隨月份的變化Fig.2　The monthly variations of aerodynamic roughness z0 under the sea-land and the land-sea breeze conditions

2.2z0與風(fēng)速的變化關(guān)系

利用式(2)計算得到在海-陸風(fēng)條件下的空氣動力學(xué)粗糙度z0的平均值是0.59 m，陸-海風(fēng)條件下的平均值是0.20 m。為了更加準(zhǔn)確地獲取不同風(fēng)速下的粗糙度值，分析了10 m處風(fēng)速和空氣動力學(xué)粗糙度的關(guān)系，并根據(jù)數(shù)值分布特征對粗糙度值和地面10 min平均風(fēng)速做了公式擬合，如圖3所示。

由圖3可知，z0并不是一固定常數(shù)，且與10 m風(fēng)速的變化也并非是線性關(guān)系。這是因為空氣動力學(xué)粗糙度在偏小的情況下，風(fēng)速便增加，近地層空氣局部流動脈動便增強，風(fēng)動量能更低地到達地面，使阻力系數(shù)減小，流體本身受到的阻力也就減小。所以在確定空氣動力學(xué)粗糙度時，不能僅僅考慮下墊面的性質(zhì)，還須考慮風(fēng)速和流場的性質(zhì)。同樣，z0也不僅僅反映了下墊面的粗糙特性，也是反映下墊面和近地表流場相互作用的物理量。擬合結(jié)果顯示，無論是海-陸風(fēng)還是陸-海風(fēng)，z0與10 m風(fēng)速之間存在著良好的指數(shù)關(guān)系。

圖3　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下z0與風(fēng)速間的關(guān)系Fig.3　Relationship between z0 and wind speed under the sea-land and the land-sea breeze conditions

2.3梯度風(fēng)的計算及檢驗

在獲取了空氣動力學(xué)粗糙度z0值之后，即可根據(jù)式(2)計算垂直某一層的風(fēng)速，即

(8)

對于z0值的確定，大多采用多樣本計算取平均值，忽略不同風(fēng)速條件下的不同。但我們認為直接采用空氣動力學(xué)粗糙度平均值計算梯度風(fēng)速和采用z0擬合公式所計算的梯度風(fēng)速在準(zhǔn)確率上應(yīng)該有所區(qū)別。海-陸風(fēng)條件下1 946個個例、陸-海風(fēng)條件下2 009個個例的計算結(jié)果表明：整體而言，采用粗糙度方程所計算的梯度風(fēng)速更接近于實況，平均誤差明顯偏小。圖4是隨機挑取的100個個例檢驗結(jié)果，由圖可見，通過粗糙度公式所計算的梯度風(fēng)速優(yōu)于采用z0平均值計算的結(jié)果。因此，文中所得的粗糙度和風(fēng)速之間的關(guān)系能夠較好地體現(xiàn)本地空氣動力學(xué)粗糙度特征，更適用于計算本地的梯度風(fēng)速。

圖4　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下的個例檢驗計算Fig.4　Case of test calculation under the sea-land and the land-sea breeze conditions

3基于粗糙度z0的風(fēng)荷載計算模型

港口塔吊水平風(fēng)荷載的實時和預(yù)報計算模型的基本框架如圖5所示，通過10 m高度處的風(fēng)觀測實況值或數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品(NWP)10 min平均風(fēng)速預(yù)報值，利用風(fēng)向劃分為海-陸風(fēng)或陸-海風(fēng)，代入指數(shù)擬合公式獲得z0值；將z0代入式(8)便可求得zn高度處的風(fēng)速，通過式(7)即可計算出塔吊垂直塔臂的水平風(fēng)荷載Fc的值。

圖5　港口塔吊風(fēng)荷載計算模型框架Fig.5　Framework of wind load computation model for a port crane

綜上所述，由式(1)、(7)及海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)的z0擬合公式便可得水平風(fēng)荷載Fc。

海-陸風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(9)

陸-海風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載:

(10)

也可通過式(7)、(8)及海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)的z0擬合公式得到消減相關(guān)參數(shù)的Fc。

海-陸風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(11)

陸-海風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(12)

由式(11)、(12)可以看到，水平風(fēng)荷載Fc的計算最終變?yōu)殛P(guān)于zn較為簡單的積分，即：

(13)

基于地面10 m風(fēng)速實況或風(fēng)速預(yù)報值，分別代入海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下的粗糙度z0求積分值，即可計算塔吊的水平風(fēng)荷載。

在預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，對接數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，自動輸出塔吊水平風(fēng)荷載預(yù)報值，參照項目設(shè)計階段所確定的風(fēng)荷載閾值，實現(xiàn)不同風(fēng)條件下的塔吊風(fēng)險評估，提前做好作業(yè)安排。平臺開發(fā)設(shè)計框架如圖6所示。

圖6　程序設(shè)計框架圖Fig.6　Framework of the program design

為了評估模型的適用性，選取了2015-08的風(fēng)速實況進行試驗(預(yù)報效果取決于風(fēng)速的預(yù)報，原理同實況檢驗)。表1為渤海灣北岸曹妃甸港口南北方向上塔吊(偏東方向作業(yè)，垂直單臂起重機)的水平風(fēng)荷載指標(biāo)，風(fēng)等級以平均風(fēng)速劃分。由表可知，通過該模型所得的風(fēng)險警報指標(biāo)(停止作業(yè)指標(biāo)在警報指標(biāo)上增加1級)和安全運營調(diào)度所設(shè)計的閾值基本一致，整體略偏小，這是由于在考慮塔吊截面時，忽略了塔機高度，將垂直單臂視作立方體所致。

表1　曹妃甸港口塔吊安全運營調(diào)度風(fēng)等級指標(biāo)

對于龍門吊、十字起重機等其他形式的塔吊，同樣適用于該方法，垂直方向的風(fēng)荷載仍然采用上述方法，水平方向上由于不存在梯度風(fēng)差異(水平塔臂的垂直高度較小，忽略垂直方向上風(fēng)速的不同)，可計算該高度處的梯度風(fēng)速，求得水平塔臂的風(fēng)荷載：

(14)

式中，h為水平塔臂所在的高度，U(h)可通過式(8)求得，Ss為水平塔臂的平面面積，為固定值。因此，十字起重機的風(fēng)荷載F=υ·(Fc+Fs)，υ為因鏤空所致的削減系數(shù)，為0～1；而龍門吊由于有2條垂直塔臂，整體的水平風(fēng)荷載F=2Fc+Fs。

4結(jié)論

1)受海陸風(fēng)和周圍環(huán)境的季節(jié)性變化影響，渤海灣北岸z0具有明顯的月變化特征，突出表現(xiàn)在春、夏季(3，4，5月和6，7，8月)的z0值明顯偏大，以6月的值最大，秋、冬季節(jié)(9，10，11月和12，1，2月)的z0值偏小，以12月的值最小。

2)通過擬合確立了z0和地面10 m處10 min平均風(fēng)速在海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)兩個方位上的粗糙度方程，二者之間存在較為穩(wěn)定的指數(shù)關(guān)系，梯度風(fēng)速計算試驗顯示方程穩(wěn)定可用，采用方程計算比用平均值計算的梯度風(fēng)速效果更理想。

3)基于空氣動力學(xué)粗糙度所設(shè)計的風(fēng)荷載計算模型實現(xiàn)了對實況值的把握和對未來不同風(fēng)條件下構(gòu)筑物的風(fēng)險評估，該模型簡單可用，可實現(xiàn)定點、定量值的預(yù)報，且便于程序開發(fā)和實現(xiàn)，個例計算試驗表明該模型可以應(yīng)用于構(gòu)筑物安全運營調(diào)度的保障業(yè)務(wù)中，且適用于龍門吊、十字起重機等多種類型的塔吊。

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Design and Implementation of Horizontal Wind Load Forecasting Model for Port Cranes

LONG Qiang1，WANG Chang1，WANG Feng1,2，XIANG Qing-xia1，JIANG Lin-lin3

(1.CaofeidianIndustrialDistrictMeteorologicalBureau, Tangshan 063015, China;

2.TangshanMeteorologicalBureau, Tangshan 063000, China;3.PetroChinaJidongOilfieldZhidaCompany, Tangshan 063200, China)

Abstract:The monthly changing characteristics of aerodynamic roughness z0 and the relationship between z0 and the average wind speed at 10 meters above the ground are investigated by using the wind data observed on a 100-meter-high wind energy tower located at the Caofeidian Port on the northern coast of the Bohai Bay from June 2012 to May 2013. The results have indicated that because of the influences of seasonal changes in land and sea breeze and surrounding environment the z0 on the northern coast of the Bohai Bay varies monthly and significantly. By using fitting methods, equations are built up between the z0 and the 10min average wind speed at 10 meters above the ground in the sea-land and the land-sea breeze directions. The gradient wind speed calculation tests have indicated that the above two equations are stable and practicable. Based on all the above conclusions, a fixed point and quantitative horizontal wind load forecasting model for port cranes is designed and established for the requirements of fine weather service support for safety operation dispatching of the port. The results from the tests of the forecasting model and the program developments have shown that the forecasting model thus established is correct, feasible and even more suitable for the risk forecasting service.

Key words:aerodynamic roughness； gradient wind； wind load； forecasting model

中圖分類號：P732

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.007

作者簡介：龍強(1987-)，男，工程師，碩士，主要從事海洋預(yù)報方面研究.E-mail:q_loong@126.com(王燕編輯)

收稿日期：2015-09-30

文章編號：1002-3682(2016)01-0066-09

資助項目：中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目——黃渤海港口安全運營氣象服務(wù)技術(shù)集成與示范(CMAGJ2015M5)