實(shí)測下?lián)舯┝黠L(fēng)場特性分析

陳超豪 王子茹 霍林生 黃國慶

摘 要：目前下?lián)舯┝黠L(fēng)場特性的研究大多是圍繞風(fēng)速模型和部分風(fēng)場特性展開，較少涉及風(fēng)場特性與平均風(fēng)速之間的關(guān)系、不同風(fēng)場特性之間的相關(guān)性以及與大地邊界層近地風(fēng)特性的比較研究。基于下?lián)舯┝鲗?shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，運(yùn)用滑移平均法提取下?lián)舯┝鞯臅r變平均風(fēng)速，進(jìn)而獲得脈動風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上，研究下?lián)舯┝鞯奈闪鞫取⑽闪鞣e分尺度和陣風(fēng)因子的特性，并分析3種特性與平均風(fēng)速的關(guān)系以及3種特性之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：下?lián)舯┝鞯奈闪鞫取⑽闪鞣e分尺度以及陣風(fēng)因子均大于相應(yīng)場地類別下相同高度處大氣邊界層近地風(fēng)的對應(yīng)風(fēng)場;下?lián)舯┝鞯奈闪鞫扰c平均風(fēng)速之間、紊流積分尺度和紊流度之間均存在負(fù)相關(guān)性，而紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間、陣風(fēng)因子與紊流度之間則都表現(xiàn)為正相關(guān);低矮建筑的抗風(fēng)設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)考慮下?lián)舯┝髅}動成分的影響，而高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注下?lián)舯┝鳉饬鳒u旋的威脅;相比大氣邊界層近地風(fēng)，下?lián)舯┝魅菀桩a(chǎn)生更大的瞬時極值風(fēng)速，對工程結(jié)構(gòu)威脅更大。

關(guān)鍵詞：下?lián)舯┝?紊流度;紊流積分尺度;陣風(fēng)因子;風(fēng)場特性;相關(guān)性分析

中圖分類號：TU312;TU14 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0126-08

收稿日期：2020-07-13

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016YFC0701103）

作者簡介：陳超豪（1989- ），男，博士生，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與風(fēng)振控制研究，E-mail：17chchen@mail.dlut.edu.cn。

霍林生（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lshuo@dlut.edu.cn。

Abstract： At present， most of the studies on the wind field characteristics of downburst mainly focus on the wind speed model and partial wind field characteristics. Few studies on the relationship between wind field characteristics and mean wind speed，the correlation between different wind field characteristics or the comparison with the boundary layer surface wind characteristics are carried out.Based on the measured wind speed data of downburst， the time-varying mean wind speed of downburst is extracted by utilizing the moving average method， and then the fluctuating wind speed is obtained. On this basis， the characteristics of turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are studied. The relationships between the above three characteristics and mean wind speed， as well as the correlations among the above three characteristics are analyzed. The results show that： 1） the turbulence intensity， turbulence integral scale and gust factor of downburst are greater than the corresponding wind field characteristic of atmospheric boundary layer surface wind at the same height under the corresponding site category; 2） there is a negative correlation between the turbulence intensity of downburst and the average wind speed， as well as between the turbulence integral scale and the turbulence intensity while there is a positive correlation between the turbulence integral scale and the average wind speed， as well as between gust factor and turbulence intensity; 3） the wind resistance design for low-rise buildings should focus on the influence of fluctuating components of downburst， while the threat of airflow vortexes of downburst should be paid more attention for high-rise buildings and high-rise structures; 4） compared with the atmospheric boundary layer surface wind， downburst is prone to produce larger instantaneous extreme wind speed， which could pose greater threats to engineering structures.

Keywords：downburst; turbulence intensity; turbulence integral scale; gust factor; wind field characteristic; correlation analysis

作為自然災(zāi)害的重要類型之一，風(fēng)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(yán)重，早已引起了風(fēng)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(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)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(fēng)災(zāi)事故可知，風(fēng)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(jì)損失，還往往伴隨著人員傷亡。

下?lián)舯┝魇嵌喾N強(qiáng)風(fēng)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(fēng)氣候”這一罪魁禍?zhǔn)滓l(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(fēng)等極端風(fēng)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(qiáng)下沉氣流。2009年5月，美國達(dá)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(shí)測獲得的下?lián)舯┝魉矔r極值風(fēng)速達(dá)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(fēng)措施勢在必行。為此，首先需要了解其風(fēng)場特性。盡管下?lián)舯┝鲗?shí)測風(fēng)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(fēng)場特性的相關(guān)研究。Chen等[6]提出了一種新的非平穩(wěn)風(fēng)速分析框架，并將該框架應(yīng)用于兩組下?lián)舯┝黠L(fēng)速時間序列，重點(diǎn)分析了下?lián)舯┝鞯钠骄L(fēng)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(shí)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(fēng)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(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，對近地面下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場特性進(jìn)行了識別與分析，并推薦了可用于下?lián)舯┝鲄?shù)計算的風(fēng)速時距取值。Shu等[10]基于香港6個氣象站的6年風(fēng)場資料，針對熱帶氣旋、季風(fēng)和下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子特性進(jìn)行了研究。Su等[11]以兩組全尺度下?lián)舯┝黠L(fēng)速記錄為例，對3種不同時間窗尺度的下?lián)舯┝黠L(fēng)速時變均值的計算方法進(jìn)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(fēng)場特性的研究工作大多是圍繞風(fēng)速模型以及部分風(fēng)場特性展開，甚少涉及針對風(fēng)場特性與平均風(fēng)速的關(guān)系、各類風(fēng)場特性之間的相關(guān)性分析，以及與大氣邊界層近地風(fēng)（以下簡稱常態(tài)風(fēng)）的風(fēng)場特性的比較研究。

筆者基于實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，針對下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場特性進(jìn)行研究，對比分析了下?lián)舯┝髋c常態(tài)風(fēng)的紊流度、紊流積分尺度和陣風(fēng)因子3個風(fēng)場特性參數(shù)。另外，考慮到相關(guān)性對工程結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布的影響，詳細(xì)分析了下?lián)舯┝鞑煌L(fēng)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(fēng)設(shè)計提供參考。

1 下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)采集

選取的下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)由美國德州理工大學(xué)（Texas Tech University， TTU）風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)室于2008年6月19日實(shí)測采集得到，采集地點(diǎn)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(fēng)速計，用于采集不同高度處的下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)據(jù)[12]。風(fēng)速計采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向風(fēng)速傳感器，可用于測量3個正交方向的風(fēng)速，數(shù)據(jù)采樣頻率為30 Hz。

4 下?lián)舯┝黠L(fēng)場特性分析

由于下?lián)舯┝骶哂袕?qiáng)烈的非平穩(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(fēng)場特性相關(guān)參數(shù)的計算。文獻(xiàn)[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(fēng)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(fēng)場特性后，將其與常態(tài)風(fēng)的風(fēng)場特性參考值進(jìn)行了比較。

4.1 紊流度

圖5給出了兩個下?lián)舯┝黠L(fēng)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(fēng)速樣本在該時段的平均風(fēng)速波動較大所致。

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(fēng)剖面的性質(zhì)所決定的。翟偉廉等[19]指出，與常態(tài)風(fēng)風(fēng)速沿高度單調(diào)增加不同的是，下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)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(diǎn)1所處位置低，風(fēng)速較小，下?lián)舯┝鞯奈闪鞣e分尺度較小。而測點(diǎn)5所在高度風(fēng)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(dá)到了118.45、450.6 m，均顯著大于測點(diǎn)1和測點(diǎn)5所在高度處常態(tài)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(diǎn)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(fēng)設(shè)計中，有必要針對下?lián)舯┝鞯耐{提出有效的應(yīng)對措施。

4.3 陣風(fēng)因子

在常態(tài)風(fēng)和臺風(fēng)的風(fēng)場特性分析中，陣風(fēng)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(xiàn)[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(fēng)因子。計算得到樣本A和樣本B的陣風(fēng)因子時程，如圖7所示。同樣，由于樣本A和樣本B的平均風(fēng)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(fēng)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。

表1的對比結(jié)果同樣說明，相比常態(tài)風(fēng)，下?lián)舯┝鞯年囷L(fēng)因子更大，尤其是樣本B的最大陣風(fēng)因子達(dá)到了1.743，遠(yuǎn)大于對應(yīng)高度處常態(tài)風(fēng)的陣風(fēng)因子1.243。這表明，相對常態(tài)風(fēng)而言，下?lián)舯┝魅菀桩a(chǎn)生更大的瞬時極值風(fēng)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(fēng)因子大于樣本A的最大陣風(fēng)因子，如前面所述，這也是由下?lián)舯┝髫Q向風(fēng)剖面的性質(zhì)所決定的，相比于測點(diǎn)1，測點(diǎn)5所在高度處容易產(chǎn)生更大的瞬時極值風(fēng)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(fēng)速的關(guān)系。可以看出，兩個風(fēng)速樣本的紊流度與平均風(fēng)速之間都表現(xiàn)出了負(fù)相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會促使紊流度減小;而紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會使得紊流積分尺度也隨之增大。

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(fù)相關(guān)性，即當(dāng)紊流度增大時，紊流積分尺度減小，這與二者和平均風(fēng)速的相關(guān)性分析結(jié)果吻合。

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(fēng)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(fēng)設(shè)計中應(yīng)重點(diǎn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，在各類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計中都必須嚴(yán)格考慮。

5 結(jié)論

基于下?lián)舯┝鲗?shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析了下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場特性，并與常態(tài)風(fēng)的風(fēng)場特性進(jìn)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(fēng)因子均大于相應(yīng)場地類別下相同高度處常態(tài)風(fēng)的對應(yīng)風(fēng)場特性。

2）下?lián)舯┝鞯奈闪鞫扰c平均風(fēng)速之間存在負(fù)相關(guān)性，平均風(fēng)速的增大會促使紊流度減小;而紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間則呈現(xiàn)正相關(guān)性，平均風(fēng)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(fù)相關(guān)，陣風(fēng)因子與紊流度之間則呈現(xiàn)出與臺風(fēng)風(fēng)場特性類似的非線性正相關(guān)關(guān)系。

4）下?lián)舯┝黠L(fēng)場中，對于低矮建筑，應(yīng)重點(diǎn)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(fēng)，下?lián)舯┝髂軌虍a(chǎn)生更大的瞬時極值風(fēng)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。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡玲）