苏通大桥桥址区实测强风非平稳风特性分析

以2012年"达维"和"海葵"台风期间苏通大桥SHMS实测风数据为研究对象,采用游程检验法对桥址区实测风速进行了平稳性检验,对比分析了基于平稳和非平稳风速模型计算得到的平均风速风向(时变)、紊流强度、紊流功率谱密度等风特性,并采用基于小波变换(WT)的演变功率谱密度(EPSD)估计方法,进行了实测强风非平稳演变功率谱分析。结果表明,实测风速表现出明显的非平稳特性;由于时变趋势项的引入,非平稳风速模型比传统平稳风速模型能更好地表征实测强风特性;所得演变功率谱密度直观地展示了实测脉动风速能量的时频分布,EPSD均值与傅里叶变换谱吻合良好,验证了EPSD估计的可靠性。研究结果可为今后非平稳风场实测分析及数值模拟提供参考。     

山竹台风的非平稳风特性研究

依托台风山竹侵袭过程中深圳地区356 m高度气象梯度塔获得的实测风速序列,采用离散小波变换(discrete wavelet transform, DWT)和集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)方法提取风速序列中的时变平均风速,对平均风速剖面以及湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱等脉动特性进行分析,并与平稳模型方法(stationary model method, SMM)的结果对比。结果表明：台风的实测平均风速剖面受平稳性影响较小,不同方法计算得到大风时段的地貌粗糙度指数均接近规范C类地貌的取值0.22;不同的时变趋势项提取方法计算的脉动风场参量存在差异,考虑非平稳性后,湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度计算结果相对SMM偏小,其中湍流积分尺度差异尤其明显;SMM的湍流强度接近规范D类地貌的推荐值;SMM计算的湍流积分尺度和AIJ—2004的建议值接近;SMM和EEMD计算得到的脉动风速谱和Karman谱一致,而由DWT计算的脉动风速谱在低频处偏小。对比台风非平稳性研究方法,EEMD方法较DWT方法合理。     

近海山地台风风场特性实测研究

基于2017年台风“海棠”和台风“纳沙”登陆近海山地时的实测数据,选取10 min平均风速≥10 m/s的强风样本,研究了平均风速、湍流度、阵风因子和地面粗糙度指数的变化规律,并分析了不同风速区间的风剖面和湍流剖面的变化规律。结果表明:台风登陆过程中风速时程呈双“M”型四峰分布,平均风向发生了260°的转变,10 m高度处湍流强度在0.15~0.34波动,并随地貌粗度指数增大有增大的趋势。实测得到风剖面和湍流剖面与规范GB 50009?2012进行了对比,不同高度处的平均风速变化符合指数率的变化趋势;两个测风塔实测得到台风风场的风剖面指数α均值为0.15和0.14大于季风风场的风剖面指数,接近GB 50009?2012中B类地貌规定值,但台风风场中的湍流强度剖面参数要大于GB 50009?2012中B类地貌规定参数值,该文结果可为近海山区工程结构抗台风设计提供参考。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的典型建筑绕流实测

基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。     

基于2013年马甸桥北气象塔实测数据的北京城区地貌风速谱分析

基于实测的风场特性研究是结构抗风中的基础性工作之一。脉动风速谱作为风场特性的主要参数之一,描述了风的能量在频率上的分布情况。Van der Hoven最先测得的包括宏观气象尺度峰值和微观气象尺度峰值的风速谱在风工程领域具有奠基性贡献。由于早期采集设备精确性不高、计算分析水平不足,以及近年来城市化进程加快,城市地貌下全频率范围的风速谱有待进一步考查。该文采用2013年北京气象塔47 m、80 m和140 m高度处超声风速仪测得的风速数据,计算分析了反映宏观和微观气象尺度变化的全频率风速谱,并和Van der Hoven风速谱以及其他学者的实测谱进行了对比。结果表明:反映宏观气象尺度变化的低频风速谱除了在周期约为4天处存在峰值外,在周期约为1天（24小时）处的峰值非常明显,而在12小时周期处的峰值相对微弱;与宏观气象尺度峰值相比,高频微观气象尺度峰值较为微弱,且随高度增加,宏观气象尺度峰值逐渐增加,而微观气象尺度峰值相差不多。考虑到结构抗风设计时关注的是强风条件下的高频段风速谱,该文挑选平均风速大于8 m/s的风速样本,对其微观气象尺度风速谱进行了讨论,并和经典风速谱进行了对比,发现不同高度处的实测高频风速谱曲线相互吻合,且实测谱与Kaimal谱接近。     

下击暴流非平稳脉动风速数值模拟

针对大气边界层近地风不同、下击暴流平均风速具有明显时变性及脉动风速具有较强非平稳特征,通过Kaimal非均匀调制函数的建立方法,获得Davenport调制函数、Simiu调制函数、Harris调制函数,为有效实现非平稳脉动风速模拟提供首要条件;考虑自回归AR模型时变性,建立非平稳随机过程TAR时变模型,为实现非平稳脉动风速模拟提供有效方法;考虑下击暴流平均风速时变特征,对下击暴流非平稳脉动风速进行模拟。结果表明,模拟的下击暴流非平稳脉动风速相关性随不同位置间距增大而减弱,振幅随时变平均风速增大而增大,与实际风场特性吻合,表明非均匀调制函数有效;功率谱时变特征明显,与目标时变谱时变特征吻合,且样本统计平均功率谱、相关函数与目标均吻合,表明下击暴流非平稳脉动风速模拟方法有效。     

台风“白鹿”影响下泉州湾近地脉动风速功率谱及其拟合参数分析

国内高速铁路网不断完善,沿海铁路海湾地形的风场特性亟待研究。基于福厦客专—泉州湾跨海大桥桥址处40 m风塔,实测获得了201911台风"白鹿"影响下的泉州湾近地风场实测数据。基于经验模态分解(EMD)技术得到了台风全过程时变平均风及相应脉动风样本,采用四参数风速功率谱模型拟合了台风纵向、横向及竖向功率谱,在此基础上对拟合参数进行了平均风速影响分析及概率密度分析。建立了38 m高度处台风演化功率谱并与同风速范围的相关规范建议风谱进行了对比。研究表明:四参数风谱模型能较好适用于实测台风风谱,各拟合参数随平均风速变化并不显著,拟合参数B随A呈指数型增长;核密度估计方法能较好拟合风谱参数的概率密度分布,拟合谱中的A参数概率密度近似对数正态分布,而B,C及α参数则与正态分布接近;测点接近7级风圈时所测脉动风湍流动能较位于风圈内时强;规范风谱并不能很好地反映"白鹿"台风引起的跨海大桥主梁高度处湍流功率谱密度(PSD)特征。     

山区地形实测风非平稳特性和非高斯特性分析

为了分析山区桥位实测风非平稳特性和非高斯特性,采用统计学Augment Dickey Fuller(ADF)法对实测风速样本非平稳性进行了定量检验,利用小波变化法提取非平稳风的时变平均风速,最后对实测风样本脉动风速分别进行平稳风速模型与非平稳风速模型下的高斯特性对比分析。研究结果表明:山区地形可能会出现突变风。常见非平稳风样本和突变风样本采用非平稳风速模型计算时变平均风速最大值比采用平稳风速模型计算10 min常值平均风速最大值大。常见非平稳风样本采用非平稳风速模型和平稳风速模型计算脉动风接近高斯分布;突变风样本采用非平稳风速模型和平稳风速模型计算脉动风为非高斯分布。     

基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析

通过对润扬大桥健康监测系统获取的长期实测风场数据进行分析,获得了南塔塔顶300d 的平均风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风功率谱等风场特性参数的分布规律以及参数之间相关性的推荐公式。并与跨中风速仪测试数据进行对比分析,得到了平均风速随高度的变化规律以及两点间风场的空间相关性。长期实测结果统计分析表明,润扬大桥悬索桥南塔塔顶的平均风速较小、风向稳定;风场的湍流度比跨中更强,并高出规范建议值近7倍;湍流积分尺度接近正态分布,并与湍流度、平均风速存在一定的相关性;纵向、横向功率谱均与Kaimal 谱相差较大,功率谱密度函数参数与平均风速存在直接相关性;塔顶风场与跨中风场相关性较弱。     

高海拔深切峡谷桥址风场特性实测研究

结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据，统计分析桥址区风场的平均风特性，以风速超过8 m/s为强风标准，分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明：深切峡谷地形对风场特征存在显著影响，风特性参数呈各向异性分布，最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近，各观测高度主风向均为SSE方向，强风攻角以负为主，风速、风攻角与风向具有显著相关性；风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型，风剖面指数随风速增大而减小，与风向具有显著相关性，拟合风剖面指数的均值为0.09；顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27，竖向紊流强度偏高，采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系；紊流积分尺度高于规范推荐值，随风速的增大而增大；实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳，竖向功率谱偏高，脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。     

台风“Soulik”东南沿海近地风剖面特性研究

基于福建宁德地区500 kV输电杆塔离地15 m, 27 m, 53 m, 67 m,和82 m高度处台风"Soulik"实测数据,研究了平均风速、湍流度和阵风因子在垂直高度范围内的变化规律。结果表明:当风速小于12 m/s时,粗糙度指数随平均风速的增大而减小;当风速超过12 m/s时,粗糙度指数随平均风速变化较小。摩擦速度随平均风速的增大而增大,并且随着高度的增大其数据离散度也不断增大。用公式计算出近地边界层高度随平均风速的变化规律不明显,实测数据平均值为2 007.89 m,远高于我国规范规定B类地貌下大气边界层高度350 m。台风"Soulik"平均风速沿高度地变化规律与指数率和对数率模型吻合较好。通过指数型拟合分别得到了纵向、横向和竖向湍流剖面的表达式,同时对实测阵风因子进行了形如G_i=α(z/10)~β的拟合,并获得了阵风因子的经验表达式。     

润扬大桥桥址区实测台风非平稳特性研究

为了研究润扬大桥桥址区实测强风的非平稳特性,以"麦莎"和"卡努"台风为研究对象,采用多尺度小波变换方法提取了顺风向及横风向时变平均风速,并进一步计算了实测脉动风速的紊流强度、阵风因子、积分尺度和功率谱密度等非平稳风特性。在将非平稳风特性与平稳风特性进行对比的同时,重点对比分析了两台风非平稳风特性的异同点。结果表明:两实测台风的顺风向风速均表现出较强的非平稳性,横风向非平稳特性则相对较弱;平稳风速模型过高地估计了实测台风的紊流特性,致使其紊流强度值大于非平稳风速模型的计算结果;"麦莎"台风非平稳紊流强度顺、横风向比值大于1,而"卡努"台风的对应值小于1;两台风的实测非平稳风谱在低频段均小于Kaimal谱,在中高频段则较为吻合。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地（塔高10 m）,并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究EI北大核心CSCD

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地(塔高10 m),并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

实测风场的随机Fourier谱研究

根据国内某大桥桥址处实测风速资料，获得了该地区风场10m高平均风速U10地面粗糙度z0的统计概率特征，以及纵向脉动风速Fourier谱曲线；基于Kolmogrov理论，提出了随机Fourier谱经验公式，应用随机建模理论和非线性优化技术，获得了实测风场的随机Fourier幅值谱函数以及基本随机变量的概率密度函数。与实测资料Fourier谱样本集合的比较表明，本文建立的随机Fourier谱能够很好地表征实测资料Fourier谱的随机性。同时，通过实测风速资料，进一步验证了本文提出的随机Fourier谱具有很好的通用性。     

上海环球金融中心大楼顶部风速实测数据分析

对结构高度为492 m的上海环球金融中心大楼顶部所测得的两个时间段的良态风速样本进行了分析,结果表明,湍流度随平均风速增大而减小;阵风系数随平均风速的增大开始有减小趋势,之后基本保持不变,随湍流度增大而增大;脉动风湍流积分尺度比日本建筑荷载的建议值小;两个时间段实测得到的阵风系数与湍流度之间的线性拟合结果较为接近;纵向、横向脉动风功率谱和Von-Karman谱比较,在低频段略有偏差,而在高频段符合较好.     

上海沿海地区近地风脉动风速谱及相干性研究

该文基于同济大学风工程实测基地测风塔10m、20m、30m和40m高度处的实测数据,对台风“米雷”和季风作用下上海浦东沿海地区近地层脉动风速谱特性进行了对比性分析。结果表明:台风与季风脉动风速谱差异明显,台风影响时脉动风速谱惯性子区的斜率逐渐降低且趋近于-5/3律,季风影响时的斜率符合-5/3律;实测脉动风速谱与Von-Karman谱符合较好;基于顺风向Von-Karman谱表达形式,对实测数据进行了经验拟合,使得整体误差率较Von-Karman谱降低了15%;台风和季风脉动风速相干性指数衰减系数均随平均风速的增大而减小,纵向均值分别为7.5和18.6。     

基于北京市区实测数据的雷暴风风场时空统计特性研究

雷暴风引发的结构破坏、财产损失和人员伤害屡有发生,其风场特性的认识和研究是结构抗雷暴风设计的基础。该文基于北京市区325 m高气象塔实测数据识别的70个雷暴风事件,采用经典雷暴风模型对其平均风及脉动风时空特性等进行了统计分析,研究结果表明：雷暴风频发于夏季,其峰值风速主要出现在北京时间的下午及傍晚时分且较易发生于西北方向;在峰值风速发生时段,平均风速剖面均值呈现轻微的鼻形特征;雷暴风湍流强度和阵风因子剖面与大尺度稳态强风特性存在较大差异,且雷暴风统计结果均大于大尺度稳态强风的对应值;北京市结构抗雷暴风设计中可考虑应用Von Karman谱计算雷暴风荷载。该研究结果可为雷暴风风场统一模型的建立和结构抗雷暴风设计提供参考。     

土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此,建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现:下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且,下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Holmes平均风速模型和Vicroy风速竖向分布模型,使用Deo-datis提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法,数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中,引入了三次样条函数插值技术,以减少Cholesky分解的次数,进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。     

基于风观测塔和风廓线雷达实测的强台风黑格比风剖面研究

利用两座风观测塔和一台风廓线雷达对强台风黑格比的实测结果,研究了台风黑格比近地塔层和边界层风剖面特征.结果表明:在近地塔层风剖面,陆地来风时,最大风速高度高于70m,且指数律剖面指数α随着风速的增大而减小;海面来风时,最大风速高度约为50m,指数律剖面指数α随着风速的增大而增大.在边界层风剖面,台风黑格比前眼壁强风区梯度风高度为450m,后眼壁强风区为300m,外风场为200m.指数律和对数律剖面可以用来描述台风黑格比眼壁强风区300m 高度以下和外风场200m 高度以下的风剖面,但是风剖面参数不符合规范推荐值,D-H 模型参数不适合描述其风剖面,需进行修正.