基于南海定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)特性研究

杜 宇，王延林，武文華，呂柏呈，岳前進(jìn)，，張立偉

(1. 中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京 100041; 2. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221)

基于南海定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)特性研究

杜 宇1，2，王延林3，武文華2，呂柏呈2，岳前進(jìn)2，3，張立偉1

(1. 中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京 100041; 2. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221)

為了滿足我國(guó)海洋工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求，在南海某海洋平臺(tái)定點(diǎn)開(kāi)展了原型測(cè)量工作。通過(guò)對(duì)海面上82 m和29 m兩處開(kāi)展實(shí)測(cè)工作，獲得了冬季寒潮和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”影響下的風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。利用非平穩(wěn)過(guò)程分析方法對(duì)兩類強(qiáng)風(fēng)過(guò)程的脈動(dòng)風(fēng)分量、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度和脈動(dòng)風(fēng)譜等風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了分析。驗(yàn)證了脈動(dòng)風(fēng)分布的高斯性，給出了湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的非線性擬合參數(shù)，分析了不同高度處風(fēng)場(chǎng)特性剖面變化規(guī)律，證明了脈動(dòng)風(fēng)實(shí)測(cè)譜與Von Karman經(jīng)驗(yàn)譜的良好擬合關(guān)系。

南海；臺(tái)風(fēng)；寒潮；強(qiáng)風(fēng)荷載特性

Abstract: In order to satisfy wind resistant design demands of offshore structure in South China Sea, field measurement is implemented on a floating platform. Two anemometers are installed at the height of 82m and 29m to record wind speed and direction. Prototype data obtained during a cold wave period and typhoon “Utor” are chosen as sample data for analysis. Characteristics of wind like fluctuating wind, turbulence intensity, gust factor, integral scale of turbulence and spectrum are analyzed by using nonstationary wind speed model. It is proved that the probability density function of fluctuation wind speed follows Gaussian distribution and Von Karman spectrum fits the measurement spectrum best. Parameters of empirical formulas, which describe relationships between turbulence intensity and gust factor, and wind speeds at different heights, are also obtained.

Keywords: South China Sea; typhoon; cold wave; characteristics of strong wind load

風(fēng)荷載是對(duì)工程結(jié)構(gòu)影響最為顯著的荷載之一。我國(guó)受季風(fēng)影響時(shí)間長(zhǎng)、夏季沿海城市臺(tái)風(fēng)登陸頻繁，屬于風(fēng)致災(zāi)害多發(fā)國(guó)家，因此對(duì)工程裝備與建筑設(shè)施的抗強(qiáng)風(fēng)能力有比較高的要求。

對(duì)風(fēng)荷載的研究，目前主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值方法以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究三種方法。受理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)條件限制，目前對(duì)風(fēng)場(chǎng)的模擬需要引入大量的假設(shè)和簡(jiǎn)化，所以采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)風(fēng)荷載的研究會(huì)引入不確定因素。因此風(fēng)荷載實(shí)測(cè)研究在工程抗風(fēng)能力的研究中占據(jù)重要地位。

隨著海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)工程結(jié)構(gòu)面向海洋強(qiáng)風(fēng)環(huán)境的抗風(fēng)要求也隨之增加。目前國(guó)內(nèi)外在該方面開(kāi)展了一些研究工作，Wang等[1]對(duì)近海面實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)分析，給出了南海沿岸臺(tái)風(fēng)天氣下的脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)；Schroeder等[2]通過(guò)實(shí)測(cè)擬合脈動(dòng)風(fēng)譜發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)譜對(duì)強(qiáng)風(fēng)環(huán)境能量分布的估計(jì)存在誤差；Li等[3]對(duì)一次臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了深入分析，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了近海強(qiáng)風(fēng)改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)譜；歐進(jìn)萍等[4]對(duì)20余年渤海臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，給出了該海域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年極值風(fēng)速的建議。目前對(duì)海洋強(qiáng)風(fēng)荷載的實(shí)測(cè)研究工作大多在沿岸或近陸海面開(kāi)展，針對(duì)深遠(yuǎn)海無(wú)遮擋開(kāi)闊環(huán)境下的季節(jié)性強(qiáng)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)環(huán)境特征的實(shí)測(cè)研究較少。

為了深入研究海洋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特征，滿足我國(guó)在深遠(yuǎn)海利用工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)的需求，在我國(guó)南海一座深水海洋結(jié)構(gòu)上開(kāi)展了風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究工作。通過(guò)對(duì)海面上82 m和29 m兩處風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，獲得了大量、長(zhǎng)期的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。選擇南海盛行的冬季寒潮和臺(tái)風(fēng)2種不同風(fēng)場(chǎng)條件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析樣本，采用對(duì)強(qiáng)風(fēng)環(huán)境適用性更好的非平穩(wěn)模型，開(kāi)展了以10分鐘為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距的湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和湍流積分尺度的研究；總結(jié)了不同高度風(fēng)載參數(shù)變化規(guī)律，并與對(duì)數(shù)率、指數(shù)率方法以及湍流強(qiáng)度剖面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果開(kāi)展了比較，給出了基于實(shí)測(cè)的建議擬合參數(shù)；討論了實(shí)測(cè)風(fēng)譜與Davenport譜、Von karman譜、Simiu譜和Panofsky的擬合關(guān)系。對(duì)南海近海面風(fēng)場(chǎng)特性的研究工作將為南海海洋工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要的參考。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)搭載平臺(tái)與測(cè)點(diǎn)位置Fig. 1 Measurement positions of anemometers on the platform

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)建立在我國(guó)南海流花4-1油田海域“南海挑戰(zhàn)號(hào)”半潛式平臺(tái)上。該平臺(tái)位于東經(jīng)115°42′，北緯20°49′，香港以東215 km處。系統(tǒng)采用兩套R(shí)M.Young05103機(jī)械式螺旋槳測(cè)風(fēng)儀器，觀測(cè)點(diǎn)選為在水面以上29 m處吊機(jī)頂端和水面上82 m處中心塔頂，所選測(cè)點(diǎn)視野開(kāi)闊，四周無(wú)遮擋。如圖1所示。風(fēng)速儀安裝以正北風(fēng)向?yàn)?°，按順時(shí)針?lè)较蛟龃蟆?/p>

2 風(fēng)載特征參數(shù)

土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中考慮最大靜風(fēng)荷載和動(dòng)荷載兩部分。最大靜風(fēng)荷載由最大重復(fù)期風(fēng)速?zèng)Q定，一般偏保守。動(dòng)風(fēng)荷載則由風(fēng)的波動(dòng)性引起，一般認(rèn)為大氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)量、熱量、水分等輸送不平衡以及大氣邊界的摩擦導(dǎo)致自然風(fēng)在時(shí)間、空間上都具有隨機(jī)性。因此風(fēng)荷載設(shè)計(jì)中需要考慮風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)特性，主要體現(xiàn)為湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)系數(shù)、湍流積分尺度以及脈動(dòng)風(fēng)譜等。

2.1樣本數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)從2011年5月起至今。南海風(fēng)荷載以冬季盛行的東北季風(fēng)和夏季臺(tái)風(fēng)為主，選擇一次典型冬季寒潮天氣和一次夏季臺(tái)風(fēng)天氣作為樣本，具體樣本信息如表1所示。

根據(jù)規(guī)范推薦，以10分鐘作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速與風(fēng)向結(jié)果如圖2、圖3所示。

表1 分析樣本信息Tab. 1 Prototype data chosen as the analysis sample

圖2 冬季寒潮天氣29 m與82 m測(cè)點(diǎn)10分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)向Fig. 2 Mean wind speed and direction in 10 minutes during cold wave

圖3 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”過(guò)境29m與82m測(cè)點(diǎn)10分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)向Fig. 3 Mean wind speed and direction in 10 minutes during typhoon “Utor”

2.2數(shù)據(jù)分析方法

傳統(tǒng)風(fēng)特征分析方法將風(fēng)速時(shí)間序列作為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程分析。而實(shí)際強(qiáng)風(fēng)中包含一定的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，因此利用傳統(tǒng)風(fēng)特征平穩(wěn)模型并不能夠很好的研究南海強(qiáng)風(fēng)環(huán)境。為此，采用文獻(xiàn)[5]中推薦的非平穩(wěn)模型開(kāi)展研究。將風(fēng)速分解成為時(shí)變平均風(fēng)速與零均值的脈動(dòng)分量，如式(1)所示。原始時(shí)間序列的非平穩(wěn)分解方法采用EMD方法(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法)[6]。

2.3脈動(dòng)分量概率分布

臺(tái)風(fēng)與寒潮作用下海上脈動(dòng)風(fēng)的高斯性缺少足夠的實(shí)測(cè)結(jié)論支持。為此，比較了脈動(dòng)風(fēng)實(shí)測(cè)概率密度分布與估計(jì)的高斯分布。圖4為分析結(jié)果。可以看出兩類天氣情況下脈動(dòng)風(fēng)分布均符合高斯分布；不同高度與不同平均風(fēng)速情況下脈動(dòng)風(fēng)的概率密度分布有所差異，82 m處寒潮天氣測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)的高斯性最優(yōu)。

圖4 不同高度下冬季寒潮與臺(tái)風(fēng)“尤特”脈動(dòng)分量概率分布Fig. 4 Probability density of wind speed during cold wave and typhoon

2.4湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子

湍流強(qiáng)度用于表示風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)荷載計(jì)算的重要參數(shù)。湍流強(qiáng)度定義為風(fēng)的脈動(dòng)分量平均變化幅值(即脈動(dòng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差)與時(shí)變平均風(fēng)速的比：

式中：Iu為湍流強(qiáng)度，σu為脈動(dòng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差。

為了研究最大陣風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，定義了用于表述陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)最大風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速比值的陣風(fēng)因子：

式中：Gu(tg)為以tg為瞬時(shí)時(shí)長(zhǎng)的陣風(fēng)因子，文中tg取3 s。

圖5和圖6為寒潮與臺(tái)風(fēng)天氣下平均風(fēng)速與湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子的關(guān)系。由圖中可以得到結(jié)論：

1)冬季寒潮平均湍流強(qiáng)度Iumean82=0.156 1，Iumean29=0.170 2；臺(tái)風(fēng)尤特平均湍流強(qiáng)度Iumean82=0.072 5，Iumean29=0.106 3，平均風(fēng)速越大，平均湍流強(qiáng)度越小。

2)冬季寒潮平均陣風(fēng)因子Gumean82=1.374 6，Gumean29=1.405；臺(tái)風(fēng)尤特平均陣風(fēng)因子Gumean82=1.186 6，Gumean82=1.330 8，湍流強(qiáng)度越小，陣風(fēng)因子越小。

3)冬季寒潮不同高度陣比值:Iumean82/Iumean29=0.917，Gumean82/Gumean29=0.978；臺(tái)風(fēng)尤特不同高度比值：Iumean82/Iumean29=0.682，Gumean82/Gumean29=0.892,臺(tái)風(fēng)天氣下湍流強(qiáng)度比值小于利用通常規(guī)范預(yù)測(cè)的比值，剖面分析在第3節(jié)介紹。

圖5 不同高度下冬季寒潮與臺(tái)風(fēng)“尤特”湍流強(qiáng)度與平均風(fēng)速關(guān)系Fig. 5 Turbulence intensity versus mean wind speed

圖6 不同高度下冬季寒潮與臺(tái)風(fēng)“尤特”陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速關(guān)系Fig. 6 Gust factor versus mean wind speed

湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子之間的關(guān)系是風(fēng)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。大量的研究工作表明湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子可以開(kāi)展形如式(4)的非線性擬合：

式中：a、b為擬合參數(shù)，T為時(shí)距。

對(duì)兩個(gè)樣本數(shù)據(jù)的湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子開(kāi)展了擬合研究，結(jié)果如圖7所示。同時(shí)與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]開(kāi)展的工作展開(kāi)了對(duì)比。結(jié)果表明兩種測(cè)量高度下冬季寒潮和臺(tái)風(fēng)尤特湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的擬合結(jié)果與文獻(xiàn)[7]推薦的擬合結(jié)果(a=0.5，b=1)比較接近。因此在南海脈動(dòng)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)中，可以考慮使用該擬合參數(shù)進(jìn)行分析。

圖7 不同高度下冬季寒潮與臺(tái)風(fēng)“尤特”陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度關(guān)系Fig. 7 Turbulence intensity versus gust factor

2.5湍流積分尺度

湍流運(yùn)動(dòng)中不同湍流漩渦參與程度不同，湍流積分尺度是脈動(dòng)風(fēng)中湍流漩渦的平均尺寸的度量，用于反應(yīng)脈動(dòng)風(fēng)速空間相關(guān)性的強(qiáng)度。湍流積分尺度可通過(guò)式(5)獲得：

其中，Ru1u2(x)表達(dá)空間兩不同位置縱向脈動(dòng)風(fēng)速u1=u(x1,y1,z1,t)和u2=u(x2,y2,z2,t)的互協(xié)方差函數(shù)，t為時(shí)間。由于對(duì)空間中不同位置進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，通常都是利用單點(diǎn)測(cè)量估計(jì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，因此對(duì)計(jì)算湍流積分尺度應(yīng)用比較廣泛的方法是基于Taylor假設(shè)，簡(jiǎn)化為單點(diǎn)測(cè)量的分析。假設(shè)湍流漩渦以平均風(fēng)速U在風(fēng)向上進(jìn)行遷移，則湍流積分尺度計(jì)算簡(jiǎn)化為：

式中：Ru(τ)為脈動(dòng)風(fēng)速的自相關(guān)函數(shù)，τ為積分的時(shí)間尺度，通常積分上限取為Ru(τ)減小到0.05處的τ值。圖8為湍流積分尺度分析結(jié)果。冬季寒潮天氣湍流積分尺度為L(zhǎng)umean82=170.868 8 m,Lumean29=78.510 4 m；臺(tái)風(fēng)尤特湍流積分尺度為L(zhǎng)umean82=289.918 8 m，Lumean29=142.996 m。其中82 m處測(cè)得臺(tái)風(fēng)尤特的最大湍流積分尺度1 000 m，遠(yuǎn)超冬季寒潮天氣。

圖8 不同高度下冬季寒潮與臺(tái)風(fēng)“尤特”湍流積分尺度Fig. 8 Time domain integral scale of turbulence

3 剖面變化規(guī)律

風(fēng)剖面用于描述一個(gè)地區(qū)不同高度風(fēng)速的變化規(guī)律，是風(fēng)荷載研究中的重要內(nèi)容。由于臺(tái)風(fēng)與寒潮屬于強(qiáng)對(duì)流天氣，因此可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)剖面與常態(tài)風(fēng)剖面有所不同。本節(jié)從平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面和湍流積分尺度剖面三個(gè)方面討論南海海面上風(fēng)剖面規(guī)律。

3.1平均風(fēng)速

常態(tài)風(fēng)剖面通常采用對(duì)數(shù)模型或指數(shù)模型估計(jì)[9]：

對(duì)數(shù)模型:

式中：κ為馮卡門(mén)常數(shù)，取為0.4，z為測(cè)點(diǎn)高度，u*為摩阻速度，z0為粗糙度長(zhǎng)度，海面可按照I類粗糙度類別，取0.001 m。

指數(shù)模型：

式中：α為粗糙度系數(shù)，zref為參考處高度。

根據(jù)式(7)、式(8)獲得的平均風(fēng)速比值分別為(U82/U29)對(duì)數(shù)=1.142 8，(U82/U29)指數(shù)=1.138 7；實(shí)測(cè)寒潮平均風(fēng)速比值為(U82/U29)季風(fēng)=1.265，實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)平均風(fēng)速比值(U82/U29)臺(tái)風(fēng)=1.233，均比規(guī)范中大8%左右。

3.2湍流強(qiáng)度

實(shí)測(cè)寒潮與臺(tái)風(fēng)下湍流強(qiáng)度如圖9所示。作為比較，圖中同時(shí)給出了抗風(fēng)規(guī)范ASCE7-02結(jié)果和文獻(xiàn)[11]在我國(guó)沿岸地區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果[10-11]。從結(jié)果可以看出，寒潮天氣與規(guī)范預(yù)測(cè)結(jié)果相似，而與沿岸實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大；臺(tái)風(fēng)“尤特”過(guò)程中，規(guī)范預(yù)測(cè)與近地實(shí)測(cè)結(jié)果均不能夠很好的擬合。為了更好的反應(yīng)南海臺(tái)風(fēng)天氣湍流強(qiáng)度特點(diǎn)，采用Iu=a(z/10)b形式的非線性擬合，擬合參數(shù)a=0.16，b=-0.37。

3.3湍流積分尺度

與湍流強(qiáng)度類似，湍流積分尺度也隨高度的變化單調(diào)變化。很多風(fēng)荷載規(guī)范中均對(duì)湍流積分尺度隨高度的變化給出經(jīng)驗(yàn)公式，圖10比較了實(shí)測(cè)湍流積分尺度與ASCE7-02規(guī)范和文獻(xiàn)[11]的沿岸實(shí)測(cè)結(jié)論。結(jié)果表明南海臺(tái)風(fēng)、寒潮湍流積分尺度與ASCE7-02規(guī)范相比均偏小；臺(tái)風(fēng)結(jié)果與實(shí)測(cè)的沿岸臺(tái)風(fēng)湍流積分尺度相比偏大。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果開(kāi)展參數(shù)擬合，獲得寒潮天氣擬合參數(shù)a=35.4，b=0.748，臺(tái)風(fēng)天氣擬合參數(shù)a=69.33，b=0.68。

圖9 湍流強(qiáng)度剖面Fig. 9 Turbulence intensity profiles

圖10 湍流積分尺度剖面Fig. 10 Integral scale of turbulence profiles

4 實(shí)測(cè)風(fēng)譜擬合

脈動(dòng)風(fēng)功率譜是海洋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要參量，表征了不同頻率湍流漩渦的貢獻(xiàn)。目前大量的風(fēng)譜形式被廣泛應(yīng)用，比較典型的有Von Karman譜、Davenport譜、Simiu譜和Panofsky譜等。選擇合適的脈動(dòng)風(fēng)譜對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的設(shè)計(jì)擁有重要的意義。

根據(jù)Tieleman的建議[9]，脈動(dòng)風(fēng)速譜可以表達(dá)為無(wú)量綱形式：

其中，n為脈動(dòng)風(fēng)頻率，Sa為脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)，u*為摩阻速度，fz=nz/U為莫寧坐標(biāo)。分析中，u*可由式(10)得出

根據(jù)規(guī)范，選取樣本數(shù)據(jù)中一個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)作為典型強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間開(kāi)展脈動(dòng)風(fēng)功率譜分析。對(duì)4組風(fēng)速樣本分別開(kāi)展了分析，取無(wú)量綱實(shí)測(cè)譜與典型風(fēng)譜開(kāi)展了比較。由圖11和圖12可以看出，不論冬季寒潮還是臺(tái)風(fēng)，Von Karman譜均與實(shí)測(cè)譜擬合最優(yōu)，Panofsky譜最差。而我國(guó)抗風(fēng)規(guī)范中使用的Devenport譜并不能夠很好的擬合南海實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)譜。

圖11 不同高度下冬季寒潮實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜與經(jīng)驗(yàn)譜比較Fig. 11 Comparison results of measured spectrum and empirical spectrum during cold wave at different heights

圖12 不同高度下臺(tái)風(fēng)“尤特”實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜與經(jīng)驗(yàn)譜比較Fig. 12 Comparison results of measured spectrum and empirical spectrum during tphoon “Utor” at different heights

5 結(jié) 語(yǔ)

面向我國(guó)新興的海洋土木工程裝備與建筑物抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求，針對(duì)我國(guó)南海海面風(fēng)荷載特征開(kāi)展了實(shí)測(cè)研究工作。基于南海典型強(qiáng)風(fēng)氣候——冬季寒潮和臺(tái)風(fēng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)南海海面風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度、剖面變化規(guī)律和脈動(dòng)風(fēng)譜進(jìn)行了分析，獲得了如下結(jié)論：

1)南海冬季寒潮和臺(tái)風(fēng)天氣中，脈動(dòng)風(fēng)速都符合正態(tài)分布，平均風(fēng)速較大的82 m處測(cè)點(diǎn)獲得的脈動(dòng)風(fēng)速概率分布更加接近正態(tài)分布。

2)湍流強(qiáng)度隨著平均風(fēng)速的增大而減小，陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度存在耦合關(guān)系。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展非線性擬合，發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)因子與湍流強(qiáng)度耦合關(guān)系與Ishizaki獲得的結(jié)論相似。在南海脈動(dòng)風(fēng)荷載分析中可以考慮使用Ishizaki推薦的擬合形式。

3)實(shí)測(cè)寒潮湍流積分尺度在10～400 m之間，Lumean82=170.866 8 m，Lumean29=78.510 4 m;實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)湍流積分尺度在50～1 000 m之間，Lumean82=289.918 8 m，Lumean29=142.996 m。臺(tái)風(fēng)期間湍流積分尺度明顯大于寒潮期間湍流積分尺度。

4)對(duì)平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面和湍流積分尺度剖面開(kāi)展了擬合工作，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，基于實(shí)測(cè)的沿岸地區(qū)剖面擬合關(guān)系并不能很好的反應(yīng)海面上風(fēng)場(chǎng)剖面變化規(guī)律?；趯?shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度剖面以Iu=a(z/10)b形式進(jìn)行了擬合，分別給出了推薦的擬合參數(shù)。

5)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的實(shí)測(cè)風(fēng)譜與Von Karman譜、Davenport譜、Simiu譜和Panofsky譜進(jìn)行比較，Von Karman譜擬合最好，Panofsky譜擬合最差。我國(guó)規(guī)范中應(yīng)用廣泛的Davenport譜并不能很好的擬合南海的實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)譜。

以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為海洋土木建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了一些有價(jià)值的資料。后續(xù)對(duì)大量實(shí)測(cè)樣本進(jìn)行分析，并對(duì)文中給出的結(jié)論進(jìn)一步的修正，為我國(guó)南海建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要參考。

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Filed measurement of characteristics of strong wind loads on offshore structure in South China Sea

DU Yu1, 2, WANG Yanlin3, WU Wenhua2, LYU Baicheng2, YUE Qianjin2, 3, ZHANG Liwei1

(1. CETC Ocean Information Technology Research Institute Co. Ltd., Beijing 100041, China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin 124221, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.005

1005-9865(2017)04-0036-08

2016-07-26

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB046803)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05028-002)；國(guó)家自然科學(xué)基金(11572072)

杜 宇(1987-)，男，博士研究生。E-mail: duyu0501@163.com

武文華(1973-)，男，副教授，博士。E-mail: lxyuhua@dlut.edu.cn