實測下?lián)舯┝黠L場特性分析

陳超豪，王子茹，霍林生，黃國慶

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

作為自然災(zāi)害的重要類型之一，風災(zāi)因其發(fā)生頻率高、波及范圍廣、直接災(zāi)害和次生災(zāi)害嚴重，早已引起了風工程界的廣泛關(guān)注。對于高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)以及高聳結(jié)構(gòu)等風敏感性結(jié)構(gòu)而言，風荷載往往是影響其安全性的關(guān)鍵因素，因而也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須充分考慮的。分析已有風災(zāi)事故可知，風荷載輕則引起工程結(jié)構(gòu)的局部破壞，重則導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的整體倒塌，不僅會造成重大的經(jīng)濟損失，還往往伴隨著人員傷亡。

下?lián)舯┝魇嵌喾N強風災(zāi)害中的一類特殊氣候現(xiàn)象，其發(fā)生區(qū)域涉及全球多個國家和地區(qū)，在亞洲、澳洲以及北美等地更是頻繁發(fā)生。統(tǒng)計資料顯示，僅澳大利亞、美國以及南非等地，“風氣候”這一罪魁禍首引發(fā)的大量輸電線塔破壞事故中，就有約80%是由下?lián)舯┝骰螨埦盹L等極端風氣候所致[1]。下?lián)舯┝鞔蠖喈a(chǎn)生于雷暴天氣環(huán)境中，1978年，F(xiàn)ujita[2]首先給出了下?lián)舯┝鞯亩x，即一種生成于地面或近地面附近并且極具突發(fā)性和破壞性的強下沉氣流。2009年5月，美國達拉斯牛仔訓(xùn)練場館因遭受下?lián)舯┝饕u擊而倒塌[3]。同年6月，下?lián)舯┝魍灰u江蘇，鎮(zhèn)江市的“5291江晉線”輸電線塔突然倒伏，現(xiàn)場實測獲得的下?lián)舯┝魉矔r極值風速達到了33 m/s[4]。2016年9月，南澳大利亞遭遇連續(xù)下?lián)舯┝饕u擊，直接導(dǎo)致了23座輸電線塔的倒塌破壞[5]。

可見，有效應(yīng)對下?lián)舯┝鳛?zāi)害對工程結(jié)構(gòu)的破壞，提出相應(yīng)的抗風措施勢在必行。為此，首先需要了解其風場特性。盡管下?lián)舯┝鲗崪y風速數(shù)據(jù)較難獲得，但目前也有部分學(xué)者開展了針對下?lián)舯┝黠L場特性的相關(guān)研究。Chen等[6]提出了一種新的非平穩(wěn)風速分析框架，并將該框架應(yīng)用于兩組下?lián)舯┝黠L速時間序列，重點分析了下?lián)舯┝鞯钠骄L速垂直廓線、紊流度垂直廓線、功率譜密度以及相關(guān)函數(shù)。Chen等[7]利用兩組全尺度實測下?lián)舯┝鲿r間序列，分析了下?lián)舯┝鞯臋M向尺度相關(guān)性。Orwig等[8]研究了下?lián)舯┝鞑糠诛L場特性的時程變化及其隨高度的變化關(guān)系。Lombardo等[9]基于實測風速數(shù)據(jù)，對近地面下?lián)舯┝鞯娘L場特性進行了識別與分析，并推薦了可用于下?lián)舯┝鲄?shù)計算的風速時距取值。Shu等[10]基于香港6個氣象站的6年風場資料，針對熱帶氣旋、季風和下?lián)舯┝鞯年囷L因子特性進行了研究。Su等[11]以兩組全尺度下?lián)舯┝黠L速記錄為例，對3種不同時間窗尺度的下?lián)舯┝黠L速時變均值的計算方法進行了比較，并提出了合理的計算方法和時間窗大小。以上關(guān)于下?lián)舯┝黠L場特性的研究工作大多是圍繞風速模型以及部分風場特性展開，甚少涉及針對風場特性與平均風速的關(guān)系、各類風場特性之間的相關(guān)性分析，以及與大氣邊界層近地風(以下簡稱常態(tài)風)的風場特性的比較研究。

筆者基于實測風速數(shù)據(jù)，針對下?lián)舯┝鞯娘L場特性進行研究，對比分析了下?lián)舯┝髋c常態(tài)風的紊流度、紊流積分尺度和陣風因子3個風場特性參數(shù)。另外，考慮到相關(guān)性對工程結(jié)構(gòu)風壓分布的影響，詳細分析了下?lián)舯┝鞑煌L場特性之間的相關(guān)性，以期為下?lián)舯┝鞫喟l(fā)地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計提供參考。

1 下?lián)舯┝黠L速數(shù)據(jù)采集

選取的下?lián)舯┝黠L速數(shù)據(jù)由美國德州理工大學(xué)(Texas Tech University, TTU)風工程實驗室于2008年6月19日實測采集得到，采集地點位于距離盧博克市(Lubbock)以西15 km的里斯技術(shù)中心(Reese Technology Center, RTC)，采集現(xiàn)場為開闊地帶。

數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場布設(shè)了一座高200 m的塔架，如圖1所示，在塔架0.9、2.4、4、10、116、158、200 m高度處分別安裝了風速計，用于采集不同高度處的下?lián)舯┝黠L速數(shù)據(jù)[12]。風速計采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向風速傳感器，可用于測量3個正交方向的風速，數(shù)據(jù)采樣頻率為30 Hz。

圖1 下?lián)舯┝黠L速計安裝示意圖

2 下?lián)舯┝鲗崪y風速數(shù)據(jù)的處理

2.1 風速數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于篇幅限制，僅選取圖1中測點1和測點5采集到的水平方向下?lián)舯┝黠L速數(shù)據(jù)作為研究對象。為方便表述，將測點1和測點5對應(yīng)的風速時程分別命名為風速樣本A和風速樣本B。此外，考慮到數(shù)據(jù)采集過程中風速儀響應(yīng)帶來的高頻噪聲的影響，基于實測風速數(shù)據(jù)處理中常用的數(shù)值平均法，將下?lián)舯┝黠L速數(shù)據(jù)的頻率降低為2 Hz，得到如圖2所示的風速時程。

圖2 實測下?lián)舯┝黠L速時程

2.2 時變平均風速的提取

與常態(tài)風類似，下?lián)舯┝黠L速可以采用式(1)所示風速模型表征[13]。

(1)

采用滑移平均法[14]提取下?lián)舯┝鲗崪y風速的時變平均值，進而獲得脈動成分。圖3所示為下?lián)舯┝鞯臅r變平均風速(以下簡稱平均風速)和脈動風速提取結(jié)果?？梢灾庇^地看出，樣本A和樣本B的平均風速均較好地反映了實測下?lián)舯┝黠L速的變化趨勢。

圖3 下?lián)舯┝鞯钠骄L速和脈動風速

在得到下?lián)舯┝鞯拿}動風速后，脈動風速的概率密度p(u)應(yīng)接近高斯分布模型[15]

(2)

式中：σu為脈動風速的標準差。

為進一步驗證平均風速提取結(jié)果的正確性，在得到樣本A和樣本B的脈動風速后，分別計算兩個樣本脈動風速的概率密度分布情況，并進行數(shù)值擬合，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯瑯颖続和樣本B脈動風速的概率密度分布情況均與高斯分布模型吻合較好，從而驗證了平均風速提取結(jié)果的正確性。

圖4 脈動風速的概率密度

值得注意的是，數(shù)值擬合結(jié)果和理想的高斯分布模型存在一定的偏差，說明下?lián)舯┝鞯拿}動風速并不是嚴格意義上的零均值平穩(wěn)隨機過程，這是由于下?lián)舯┝黠L速的瞬時突變性導(dǎo)致了其本身強烈的非平穩(wěn)性。

3 風場特性分析方法

3.1 紊流度

風的脈動強弱程度可以用紊流度來表征，空間中任意一點的紊流度可以定義為一定平均時距內(nèi)脈動風速的標準差與平均風速的比值，即[16]

(3)

式中：Iu為紊流度。

而對于常態(tài)風，任意高度z處的紊流度還可以按式(4)計算[16]。

Iu(z)=I10(z/10)-α

(4)

式中：α為地面粗糙度指數(shù)；I10為10 m高度處的名義紊流度。

3.2 紊流積分尺度

紊流積分尺度Lu是描述空間紊流中任意兩點脈動風速相關(guān)性的重要參數(shù)，同時，該參數(shù)直接表征給定方向氣流渦旋的平均尺度的大小。任意高度z處的紊流積分尺度可以定義為[16]

(5)

式中：Ru(τ)為高度z處脈動風速u(t)的自相關(guān)函數(shù)。

對于常態(tài)風，任意高度z處的紊流積分尺度可按式(6)計算[16]。

Lu(z)=100(z/30)0.5

(6)

3.3 陣風因子

陣風因子G是與結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)可能遭遇的最大風速(即極值風速)緊密相關(guān)的重要參數(shù)，其定義可以采用多種形式，筆者將其定義為[17]

(7)

對于常態(tài)風，陣風因子和紊流度之間滿足關(guān)系[16]

G=1+gIu

(8)

式中：g為峰值因子，按規(guī)定一般取2.5。

4 下?lián)舯┝黠L場特性分析

由于下?lián)舯┝骶哂袕娏业姆瞧椒€(wěn)性，且下?lián)舯┝鞯某掷m(xù)時間通常較短，一般不超過600 s，因此，Holmes等[18]指出，傳統(tǒng)的基于10 min或1 h時變平均的處理方法并不適用于下?lián)舯┝黠L場特性相關(guān)參數(shù)的計算。文獻[9]指出，下?lián)舯┝飨嚓P(guān)參數(shù)計算的基本時距可以取60～240 s。結(jié)合所取下?lián)舯┝黠L速樣本的時程情況，選取60 s作為下?lián)舯┝飨嚓P(guān)參數(shù)計算的基本時距。此外，在得到下?lián)舯┝鞯娘L場特性后，將其與常態(tài)風的風場特性參考值進行了比較。

4.1 紊流度

圖5給出了兩個下?lián)舯┝黠L速樣本的紊流度時程，可以看出，樣本A和樣本B的紊流度在約0～1 500 s時段較為穩(wěn)定，而在約1 500～3 000 s時段波動較大，這是由于兩個風速樣本在該時段的平均風速波動較大所致。

圖5 下?lián)舯┝鞯奈闪鞫?/p>

為了與常態(tài)風的風場特性進行比較，表1給出了下?lián)舯┝鲀蓚€風速樣本各風場特性的最大值、平均值和最小值，以及相同地貌下測點1和測點5對應(yīng)高度處常態(tài)風風場特性的計算參考值。從表1的對比結(jié)果可知，樣本A和樣本B的紊流度最大值分別達到了0.302、0.251，均明顯大于測點1和測點5所在高度處常態(tài)風的紊流度參考值0.201和0.097，說明下?lián)舯┝髦械拿}動成分多于常態(tài)風中的脈動成分，氣流更加不穩(wěn)定，更容易對結(jié)構(gòu)造成威脅。

表1 風場特性對比

4.2 紊流積分尺度

圖6給出了下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度時程?？梢钥闯觯瑯颖綛的紊流積分尺度明顯大于樣本A的紊流積分尺度，這是由下?lián)舯┝髫Q向風剖面的性質(zhì)所決定的。翟偉廉等[19]指出，與常態(tài)風風速沿高度單調(diào)增加不同的是，下?lián)舯┝鞯娘L速隨高度的增加先增大后減小，且在約80 m高度附近取得最大值。測點1所處位置低，風速較小，下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度較小。而測點5所在高度風速更大，由此產(chǎn)生的渦旋尺寸更大。同樣地，從表1可知，樣本A和樣本B的紊流積分尺度最大值分別達到了118.45、450.6 m，均顯著大于測點1和測點5所在高度處常態(tài)風的紊流積分尺度參考值17.321、196.638 m。如前面所述，紊流積分尺度表征了氣流中渦旋平均尺度的大小，這意味著，與常態(tài)風相比，下?lián)舯┝鲿a(chǎn)生尺度更大的渦旋，這些渦旋更容易將結(jié)構(gòu)包圍，脈動風在結(jié)構(gòu)各個部位所引起的動荷載更容易接近同步，從而威脅到結(jié)構(gòu)的安全。尤其是測點5所在高度116 m處，紊流積分尺度很大，而這一高度是高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)經(jīng)常觸及到的，因此，在這類結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計中，有必要針對下?lián)舯┝鞯耐{提出有效的應(yīng)對措施。

圖6 下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度

4.3 陣風因子

在常態(tài)風和臺風的風場特性分析中，陣風因子的計算時距一般取tg=3 s。針對下?lián)舯┝鞯乃矔r特性，根據(jù)文獻[8]中對計算時距的分析，取tg=1 s，即采用時距更短的1 s陣風因子。計算得到樣本A和樣本B的陣風因子時程，如圖7所示。同樣，由于樣本A和樣本B的平均風速在約1 500～3 000 s時段波動較大，導(dǎo)致該時段內(nèi)的陣風因子也呈現(xiàn)較大的波動性，而在0～1 500 s時段則變化較小。

圖7 下?lián)舯┝鞯年囷L因子

表1的對比結(jié)果同樣說明，相比常態(tài)風，下?lián)舯┝鞯年囷L因子更大，尤其是樣本B的最大陣風因子達到了1.743，遠大于對應(yīng)高度處常態(tài)風的陣風因子1.243。這表明，相對常態(tài)風而言，下?lián)舯┝魅菀桩a(chǎn)生更大的瞬時極值風速，這對高層建筑以及高聳結(jié)構(gòu)的安全非常不利。此外，可以看到，樣本B的最大陣風因子大于樣本A的最大陣風因子，如前面所述，這也是由下?lián)舯┝髫Q向風剖面的性質(zhì)所決定的，相比于測點1，測點5所在高度處容易產(chǎn)生更大的瞬時極值風速。

4.4 相關(guān)性分析

圖8、圖9分別為下?lián)舯┝鞯奈闪鞫?、紊流積分尺度與平均風速的關(guān)系。可以看出，兩個風速樣本的紊流度與平均風速之間都表現(xiàn)出了負相關(guān)性，平均風速的增大會促使紊流度減??；而紊流積分尺度與平均風速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風速的增大會使得紊流積分尺度也隨之增大。

圖8 紊流度與平均風速的相關(guān)性

圖9 紊流積分尺度與平均風速的相關(guān)性

圖10為下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度與紊流度的關(guān)系?？梢钥闯?，紊流積分尺度和紊流度之間存在負相關(guān)性，即當紊流度增大時，紊流積分尺度減小，這與二者和平均風速的相關(guān)性分析結(jié)果吻合。

圖10 紊流積分尺度與紊流度的相關(guān)性

通常認為下?lián)舯┝鞯年囷L因子G和紊流度Iu之間存在著與臺風風場特性類似的關(guān)系[10]，即

G=1+k1×Iuk2×ln(T/tg)

(9)

式中：T為平均風速計算時距；k1、k2為擬合參數(shù)。在臺風風場特性分析中，Ishizaki[20]建議k1=0.5，k2=1.0；Cao等[21]建議k1=0.5，k2=1.15。

圖11為下?lián)舯┝鞯年囷L因子與紊流度之間的關(guān)系。對于樣本A，k1=0.22、k2=0.7，對于樣本B，k1=0.22、k2=0.53?？梢钥闯?，下?lián)舯┝鞯年囷L因子和紊流度之間同樣存在著正相關(guān)性，但二者并不是普通的線性關(guān)系。此外，其相關(guān)性和臺風風場特性類似，但擬合參數(shù)k1和k2的取值略小于臺風風場特性分析中的結(jié)果。

圖11 陣風因子與紊流度的相關(guān)性

綜合以上相關(guān)性分析結(jié)果可知，對低矮建筑而言，由于所處高度下?lián)舯┝黠L速較小，氣流渦旋的尺度較小，但脈動成分卻較多，因此，在該類結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注脈動成分的影響。而對高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)而言，由于所處高度下?lián)舯┝黠L速較大，氣流渦旋的尺度往往很大，因此，在該類結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計中需要側(cè)重考慮氣流渦旋的威脅。最后，針對下?lián)舯┝鳂O值風速可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，在各類結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計中都必須嚴格考慮。

5 結(jié)論

基于下?lián)舯┝鲗崪y風速數(shù)據(jù)，分析了下?lián)舯┝鞯娘L場特性，并與常態(tài)風的風場特性進行了對比，得到以下結(jié)論：

1)下?lián)舯┝鞯奈闪鞫取⑽闪鞣e分尺度以及陣風因子均大于相應(yīng)場地類別下相同高度處常態(tài)風的對應(yīng)風場特性。

2)下?lián)舯┝鞯奈闪鞫扰c平均風速之間存在負相關(guān)性，平均風速的增大會促使紊流度減??；而紊流積分尺度與平均風速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風速的增大會使得紊流積分尺度也隨之增大。

3)下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度和紊流度之間表現(xiàn)為負相關(guān)，陣風因子與紊流度之間則呈現(xiàn)出與臺風風場特性類似的非線性正相關(guān)關(guān)系。

4)下?lián)舯┝黠L場中，對于低矮建筑，應(yīng)重點關(guān)注脈動成分的影響；而對于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，則應(yīng)側(cè)重考慮氣流渦旋的威脅。

5)相比常態(tài)風，下?lián)舯┝髂軌虍a(chǎn)生更大的瞬時極值風速，會對結(jié)構(gòu)構(gòu)成更大的威脅，需要引起工程設(shè)計人員的充分重視。