近地台风风场特性及密集房屋风荷载现场实测研究

近地台风风场特性及密集房屋风荷载现场实测研究

0结构风荷载的实测研究30年来，国外科学家在良好的天气条件下研究了低碳建筑的负荷，其中最典型的是前阎良富尔的辛勤建设。1现场测量总结1.1实验设计及测点布置实测系统由6.0m×4.0m×4.0m可移动平、坡型房屋风压测试系统和10m高测风塔系统组成。实验房布设在广东省电白县电城镇海岸,经度E111°30',维度N21°40'。实验房及场地监测环境如图1所示。通过CR-5数据采集仪,对风速、风向及风压信号同步采集,风速、风压实时采样频率为20Hz。实验房现场监测周边环境各方位地貌特征,实测系统相关测试设备及风压测试管路系统详见文献[12]。屋面风压测点布置及风向角定义如图2所示:平行屋脊方向风向角为0°,定义0°~90°为角部正面斜向风角度范围。该范围测点按3行3列排列共9个,tap12表示第1行第2列测点,边缘测点距离山墙边缘和屋檐边缘均为0.03h=0.12m(h=4.0m),各测点之间行、列间距为0.1h=0.4m。角部测点范围按3个区域进行分析:区域I包含边缘区域测点tap11、tap21、tap31,测点分析面积为0.38m1.2复配胶实验房和压缩压测点在2008—2011年台风季节期间,通过实验房实测系统对正面登陆和严重影响观测点地区的10余次台风登陆过程中的近地风速和房屋表面风压进行了现场同步监测。其中“北冕(0809)”、“强台风黑格比(0814)”、“灿都(1003)”和“海马(1104)”为台风中心区域或台风眼壁区域途径实验房观测点,上述台风路径图与实验房相对位置如图3所示。其他台风如“浣熊(0801)”、“海高斯(0817)”,“苏迪罗(0905)”,“天鹅(0907)”,“彩虹(0913)”,“巨爵(0915)”等为外围7级大风区域影响实验房观测点。各台风实测0.05s最大瞬时风速、3s最大平均风速和10min最大平均风速及风向角如表1所示。实测“黑格比”的最大瞬间风速为63.1m/s,3s最大平均风速为54.7m/s,10min最大平均风速为39.6m/s。上述统计风速为10m标准高度处的测量值。2靠近地幔层的风特征在强风条件下,近地中性稳定大气边界层湍流特征参数如湍流强度、阵风因子和湍流积分尺度等主要受地面粗糙度影响2.1湍流积分尺度湍流度I定义为10min时距的脉动风速标准方差与水平平均风速的比值。不同来流风向角下的顺风向和横风向湍流强度的变化趋势分别如图4a、4b所示。由图4可知,平均风向角在30°~150°范围内(东南方位),各台风实测10m高度的顺风向和横风向湍流强度相对吻合较好,表明台风湍流强度主要由地面粗糙度产生和控制。在东北方位(平均风向角340°~360°~30°),实测顺风向和横风向湍流强度相比东南方位要大。根据实验房主要来流方位对应的不同地貌特征:东北方位(B类地貌)和东南方位(A类地貌)及西南方位(C类地貌),对实测各台风的湍流特性参数按A、B、C三类地貌条件进行分类统计。各类地貌条件下,实测10m高度的湍流强度的平均值、标准方差、变异系数结果统计如表2所示。由表2可见:A类地貌条件时,湍流强度I阵风因子定义为阵风持续期(t如图5所示,阵风因子同湍流强度相关,湍流强度越大,阵风系数越大。湍流强度与阵风因子的相关性如式(1)所示。式中,参数k文中采用式(1)对湍流强度与阵风因子的相关性进行拟合(图5),拟合参数k湍流积分尺度是脉动风中湍流涡旋平均尺寸的量度。湍流积分尺度L式中:L如表2所示,A地貌条件下,各向湍流积分尺度LSolari式中:z为计算高度;z将式(4)中地面粗糙度指数z式中,a为拟合参数,Solari推荐值为0.074根据式(4)对湍流积分尺度与湍流强度的相关性进行曲线拟合(图6),拟合参数a值为0.071,与Solari推荐值0.074较为接近。如图6所示,拟合曲线能较好地反映湍流强度与湍流积分尺度均值变化趋势,湍流积分尺度随湍流强度增加而相应减少。2.2湍流动能根方差湍流功率谱密度是湍流脉动动能在频率上的分布密度,其在频域上的全积分等于脉动对应方向上的湍流动能的根方差的平方,用来描述湍流中不同尺度的涡的动能对湍流脉动动能的贡献。基于Kolmogorov理论,频率内的脉动风可以用统一形式的脉动风速功率谱密度函数S(z,n)来表示。式中:n为频率,Hz;u2.2.1风“出/下”风速功率谱密度比较以实测台风“灿都”为例,台风“灿都”可分为登陆前台风外围对流区、台风眼壁区和登陆后外围螺旋雨带3部分不同区域影响实验房观测点。来流方向处于A类地貌条件下,台风“灿都”不同区域影响下10m高度的各向脉动风速功率谱密度比较见图7。如图7a所示,台风眼壁区域10m高度的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于台风外围区域的功率谱密度值。如图7b所示,在惯性子区和高频范围,台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱密度值大于其他区域功率谱密度值,表明台风眼壁区域的横风向湍流分量相对较大。如图7c所示,台风不同区域的竖向脉动风速功率谱密度与顺风向脉动风速功率谱密度具有相似结果,台风眼壁区域竖向脉动风速的功率谱密度值略大于其他区域功率谱密度值。2.2.2脉动风速功率谱密度台风“灿都”眼壁区域的各向脉动风速功率谱密度与实测平均风速大于8m/s样本的季风脉动风速功率谱密度比较见图8。如图8a所示,台风眼壁区10m高度的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风功率谱密度值,两者功率谱密度峰值对应频率相差不大,频率n约为0.02~0.10Hz。如图8b所示,在低频和惯性子区范围,台风的横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的横风向脉动风速功率谱密度值,两者功率谱密度峰值对应频率相差不大,频率n约为0.5~0.6Hz。如台风横风向脉动风速归一化功率谱密度值nS2.2.3脉动风速功率谱密度与经验谱密度比较实测台风“灿都”眼壁区域的各向脉动风速功率谱密度值与各经验谱密度值比较见图9。台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值与各经验谱密度值比较如图9a所示,在波长n/U<0.002m实测台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱密度与各经验谱密度比较如图9b所示,在波长n/U<0.002m实测台风眼壁区域的竖向脉动风速功率谱密度值与各经验谱密度值比较如图9c所示,在波长n/U<0.01m3平梯度风压测量结果分析风压系数定义为风荷载在建筑表面引起的压力与来流未挠动风速压力的比值,计算如式(7)所示。式中:p(t)为实测风压值;p3.1屋顶风压分布在台风“灿都”(1003)作用下,平均风向角35°斜风向工况,屋面整体平均风压系数的分布特征如图10a所示,平均风压系数等值线分布在屋面屋檐角部边缘区域呈锥形涡状,并具有较大平均风压。屋面整体的峰值负压系数分布特征如图10b所示,峰值负压系数等值线分布同样在屋面屋檐角部边缘区域呈锥形涡状,并具有较高峰值负压系数。表明在斜向风作用下,屋檐角部边缘区域受气流分离和锥形旋涡影响产生较高平均风压和峰值负压。进一步选取屋面角部边缘测点tap12、tap21、tap13、tap31分析其平均风压、峰值负压和脉动风压分布特征。平均风压系数分布如图11a所示,在平均风向角20°~45°范围时,屋檐角部边缘区域具有较大平均风压系数,平均风压系数(绝对值)大于GB50009—20123.2角部区域iii,iii峰值负压系数屋面角部区域I、II、III的峰值负压系数如图12所示,角部边缘区域I的峰值负压系数的最小值为-9.9,其绝对值大于ASCE/SEI7-10规范角部区域局部风压系数规定值(-9.25)的绝对值,峰值负压系数随平均面积的增加而相应减少,角部区域II,III峰值负压系数在ASCE/SEI7-10规范允许值范围内。4脉动风速功率谱密度本文根据实验房获取登陆台风近地风速、房屋屋面风压实测数据,研究了近地台风风场中湍流特征参数和屋面角部风压分布规律,得到如下结论:1)台风湍流强度主要由地面粗糙度产生,随地貌粗糙度增大而增加。A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度的均值分别为0.13,0.21,0.32。阵风因子同湍流强度正相关,湍流强度与阵风因子相关性拟合参数k2)台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于台风外围区域实测谱密度值,而台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱密度值显著大于台风外围区域实测谱密度值;同样台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测谱密度值,而顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测谱密度值。3)在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速实测谱密度值与vonKarman