北京郊外近地面风场特性实测研究

基于北京延庆县某一近地风剖面观测点,观测获得了近地面冬季季风剖面实测数据,研究了近地风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干函数、湍流积分尺度和功率谱密度等风场特性参数,并与现行欧洲、美国、日本等相关国家规范进行了对比分析。研究结果表明：实测风速沿高度的变化规律除3.5m高度外,12.5m高度范围内实测结果与各国规范值基本符合;随着高度的增加,湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势;实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等相关规范湍流度取值较为接近,而与GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》差异较大;10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,随着平均风速增大而增大,实测湍流积分尺度结果与国外规范值存在一定差异;随着测点间距增大,竖向相关性的衰减系数明显增大,且实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差异;10m高度范围内各高度处的实测功率谱密度曲线基本一致,与已有经验谱有一定差异,但与Devenport谱接近。     

台风“娜基莉”影响下浦东地区近地风特性

本文基于位于上海浦东国际机场附近的同济大学实测基地获取的2014年台风"娜基莉"影响下的10米高度风数据,研究了"娜基莉"影响下的浦东地区近地风特性。10米高度处风速实测研究表明:纵向的阵风因子明显大于横向和竖向的阵风因子,而横向的阵风因子稍大于竖向阵风因子;各向阵风因子随10min平均风速的增大呈减小的趋势,各向湍流度也随平均风速的增大呈现减小的趋势;纵向湍流度大于横向湍流度,而横向湍流度大于竖向湍流度;各向湍急积分尺度随平均风速的增大而减小。     

开阔地貌台风风场现场实测与风洞试验应用研究

基于100m高测风塔上风速仪的现场实测数据,获得了开阔地貌台风风场的平均风速剖面与湍流度剖面模型。在大气边界层风洞中准确模拟了台风风场和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)规定的B类风场,并通过一个大跨刚性模型测压试验,详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征。研究结果表明:在开阔场地条件下,台风近地边界层平均风速沿高度分布符合对数律,亦满足指数律,风剖面幂指数介于规范规定的A类风场与B类风场之间,平均湍流度比B类风场规定值大1倍;台风风场作用下,开阔地貌大跨结构屋面风荷载受湍流度的影响远高于受平均风速剖面的影响,体型系数随湍流度的增大而增大,屋面风荷载亦随之增大。     

近地边界层台风观测及湍流特征参数分析

通过近海岸测风塔获取了台风达维(0518)、珍珠(0601)、派比安(0606)登陆过程中10m高度三维脉动风速数据,对近地10m高度平均风特性和湍流特性进行了分析和研究。基于台风观测结果,分析了不同来流方向和地貌状况下,风剖面指数值、摩擦速度、湍流度和阵风因子等湍流参数及其相关性。分析结果表明: 摩擦速度与平均风速呈正相关,摩擦速度随平均风速增大而增大;风剖面指数值随平均风速增大而减小;各方向湍流度随平均风速增大而减小;阵风因子与湍流度呈线性关系。通过拟合实测湍流参数相关性,提出了10m标准高度台风湍流度、阵风因子的计算式,可为台风多发区域低矮房屋的抗风设计提供参考.     

台风“海马”登陆过程近地风场脉动特性研究

为研究台风登陆过程中近地风场脉动特性,采用Windcube V2型多普勒激光测风雷达实测台风"海马"的登陆过程,获得了高度40~290 m范围内共计12处的时程数据。基于观测结果,分析了台风中心、眼壁强风区等位置的平均风速和风向、风剖面、阵风因子、湍流强度、湍流积分尺度等发散特性。分析结果表明:台风"海马"平均风速时程呈"M"形双峰分布,台风登陆前后风向角变化了近180°;平均风速剖面在风眼中心和眼壁强风区具有明显不同的剖面形式;风向剖面异于良态风剖面,且沿高度并非一致;在台风眼壁强风区,纵、横和竖向湍流强度三者之比为1∶0.91∶0.40,相比于规范值,台风"海马"横向湍流强度相对较大,竖向湍流强度相对较小;纵向和横向阵风因子均随平均风速的增加而减小,基于非线性关系式给出了阵风因子和湍流度的拟合关系式,拟合结果与实测结果较为接近;湍流积分尺度在眼壁强风区较大,台风登陆前后其值差异也较大且后眼壁大于前眼壁,受地貌特性影响较为显著。     

上海地区近地台风与季风湍流特性对比研究

为了研究上海地区近地台风与季风湍流特性的差异,基于高度10、20、30、40m处上海浦东风工程实测基地获得的风速风向数据,对台风“梅花”与季风作用下浦东地区近地湍流特性进行了对比分析。结果表明：台风“梅花”和季风作用下近地湍流度和阵风因子均随平均风速的增大而减小,不同的是前者变化速率随平均风速的增大而减小,而后者变化速率基本不变;相同高度处季风作用下各向湍流度和阵风因子均大于台风“梅花”作用下的结果,并给出了湍流度和阵风因子剖面的经验表达式;季风和台风影响下自相关系数均随迟滞时间的增大而逐渐减小,且高度越高衰减速率越慢,在相同高度处台风下的衰减速率明显比季风的大。     

温州地区近地强风特性实测研究

为研究我国沿海地区的近地强风特性,基于设置在温州大学的风场观测点(离地约30m高),对台风“海鸥”影响温州时的风场状况进行了监测,获取了台风期间近地风场的实测数据。通过对台风影响过程的风速和风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度函数和空间相干性等参数的分析,研究了台风“海鸥”影响温州时的近地风场特性。结果表明：台风“海鸥”的湍流度和阵风因子较大,顺风向和横风向湍流度接近;顺风向与横风向湍流积分尺度的均值分别为70.4m和66.6m;实测风速谱与von Karman谱基本符合;实测两点的脉动风速空间相干系数在零频率处与Shiotami经验公式计算结果一致。     

良态风作用下索膜结构风压特性现场实测研究

采用超声风速仪和风压传感器对良态风下的上海世博会世博轴索膜结构的风场及风压进行现场实测,对结构所处风场特性及膜结构表面风压特性进行研究。研究结果表明:三方向脉动风速均基本符合高斯分布;湍流度及阵风因子与平均风速基本符合对数型函数关系,随着平均风速的增大而减小;湍流积分尺度随平均风速的增大而增大;实测风速谱低频段和中频段实测谱与Simiu谱较为接近;风压概率密度分布有一定的非高斯性;与顺风向脉动风速功率谱相比,各测点脉动风压低频段功率谱密度相近,中频、高频段功率谱密度有一定差别;随着平均风速的增大,风压系数的离散性逐渐减小,风速较小时风压系数偏大;得到352.4°风向角下风压系数与体型系数。     

台风“浣熊”影响下近地风特性及低矮房屋屋面风压实测研究

基于上海浦东国际机场附近的同济大学实测基地获取的2014年台风"浣熊"影响下的近地风速时程和低矮双坡屋面风压同步实测数据,研究了台风影响下的近地风特性和低矮房屋屋面风压特性。10m高度处实测风速结果表明:纵向的湍流度随平均风速的增大呈减小的趋势,而横向和竖向的湍流度随平均风速的变化趋势不明显。坡角为10°的足尺低矮房屋在"浣熊"影响下,由于屋脊对斜风向来流的气动分离作用,在背风屋面右侧靠近屋脊的位置出现了明显的漩涡脱落,而斜风向下山墙和屋脊的共同作用也导致了第二个旋涡的产生;旋涡处的脉动风压系数峰值随着风向角度的增加呈逐渐增大的趋势,并且也随纵向湍流度的增大而增大。     

下击暴流风特性及其对高耸桅杆动力作用的实测分析

为了研究下击暴流的风场特性及其对高耸结构的动力作用，依据高度356 m的深圳气象观测梯度塔获取了下击暴流风记录及其加速度响应。分析了雷暴风的平均风速、湍流度及脉动风功率谱特性，并进一步研究了下击暴流作用下梯度塔的动力响应特征。分析结果表明：下击暴流风速剖面形态具有时变性，且不同时刻的风速剖面与目前常用的经验剖面均有一定的差异；雷暴过程湍流强度随高度变化规律性不显著，其脉动风功率谱与von Karman谱和Solari谱较为吻合；下击暴流作用下梯度塔的最大风振响应出现在雷暴过程的上升段而非最大风速时刻，其响应和顺风向风振系数均随高度增加而增大；风振过程中梯度塔多模态参与特征明显，且纤绳振动的影响不可忽略。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

台风“海马”登陆中心近地风场特性实测研究

为研究台风"海马"的近地面风场特性,在位于其登陆中心的观测塔离地高度位置20 m和10 m处安装了测风装置,分析了平均风速和风向、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度以及脉动风速功率谱密度等风场特征参数。结果表明:台风登陆前后的中心风速时程呈M形变化,平均风向角发生反向改变,不同高度的平均风速和风向角有所差异;湍流强度和阵风因子均在登陆时刻最大,20 m和10 m高度的湍流强度均值分别为0. 26和0. 31、阵风因子分别为1. 73和1. 89,均随高度和风速的增大而递减,其值较中国、美国和日本建筑规范的对应地貌规定值小,湍流强度和阵风因子关系的拟合结果相较经验公式偏大;台风经过期间的20 m和10 m高度处湍流积分尺度均值分别为136 m和85 m,随高度和风速的增大而增大,其随高度的变化趋势比美国和日本建筑规范对应地貌的结果更加明显;脉动风速功率谱密度随着风速和积分尺度的增大逐渐满足Kolmogrove-2/3律,实测结果与von Karman谱吻合较好。     

中、美、澳荷载规范关于脉动风特征的规定，

结合中国、美国、澳大利亚三国规范中的相关规定,对脉动风湍流强度、湍流积分长度以及脉动风速功率谱进行了比较.对比分析表明:由中国规范推导出的湍流强度远远小于美国、澳大利亚规范的相关规定;中国规范选取的湍流积分长度不随高度变化,而美国、澳大利亚规范选取的湍流积分长度随高度的增加而增加,在相同高度处,中国规范所选取的湍流积分长度值介于美国、澳大利亚规范之间;在一般建筑物自振频率范围内,中国规范所采用的脉动风速功率谱谱值比美国、澳大利亚规范规定的谱值大.     

对数律和指数律风剖面的差异分析及其对桥梁抗风性能评价的影响

现有的公路桥梁抗风设计采用指数律风速剖面来计算各个基准高度的平均风速,然而气象学实践和一些国家规范中早已采用对数律风速剖面,两种风速剖面在不同高度处的平均风速差异及其对桥梁抗风的影响应当值得关注。对比了不同地表粗糙类型下对数律模型和指数律模型在不同高度处的风速差异,并采用ANSYS有限元软件计算了实桥在风荷载下的位移和桥塔弯矩差异。结果表明,在地表粗糙度较大和离地高度较大时,对数律和指数律模型的风速差异较为明显,风荷载的差异对桥梁内力和位移造成的影响不可忽略。有必要进一步研究这两种风速剖面模型在高空处的准确性,以更好地指导桥梁的抗风设计。     

强台风“黑格比”登陆过程中近地风场特性

为准确研究低矮房屋的风载特性,基于建造在强台风"黑格比"登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风"黑格比"登陆的全过程进行了监测,获取了在强台风登陆过程中近地风场及实测房屋表面风压的实测数据。通过对台风登陆过程的风速及风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和风速谱等参数的分析,研究了强台风"黑格比"登陆时的近地风场特性,同时介绍了实测房屋及测压系统。结果表明:强台风"黑格比"的最大瞬时风速达到56.7/s,10m in最大平均风速为40.2m/s;台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,阵风因子与湍流度有减小的趋势;实测风速谱与von Karman谱吻合较好。研究结果将增进对强台风近地风场的理解和认识,可为今后改进低矮房屋的抗风设计提供参考。     

台风“苏力”近地风场脉动特性实测研究

利用设置在福建省霞浦县牙城镇的观测点,成功测得了2013年超强台风“苏力”的近地脉动风场数据,在此基础上对台风的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱进行了分析。研究结果表明：湍流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,当平均风速大于10 m/s时,数值趋于稳定;台风风场的横风向、竖直向湍流强度分量显著增强,顺风向、横风向、竖直向湍流强度分量比值达到1∶0.8∶0.55;台风风场的湍流积分尺度离散性较大,与平均风速、湍流强度无明显相关性,实测的台风脉动风功率谱与von Karman谱比较接近。     

中欧风荷载规范比较研究

从基本风压、风压高度变化系数、湍流度、脉动风速功率谱等方面,分析对比了中欧风荷载规范中影响风荷载特性的主要参数,总结了两种规范的风荷载计算方法,为工程设计人员提供参考。     

山东省境内边界层风廓线雷达观测最大风速随高度变化研究EI北大核心CSCD

基于东营、济南、蓬莱三个观测站边界层风廓线雷达观测的各高度层和地面气象站10 m高度的最大风速数据,采用统计、极值分布、最小二乘法、廓线图等方法,进行风速随高度变化研究。结果表明：三站10~3 000 m各高度层2014年全年的小时最大风速分别为30.6、30.7、31.2 m/s,出现高度分别为1 900、1 420、1 780 m,三站10~100 m高度层风速迅速增大而其上则随高度增加总体呈缓慢增大;三站2014年最大风速风剖面指数α,280 m高度层分别为0.222 1、0.243 8、0.184 5,460 m高度层分别为0.204 4、0.190 5、0.191 5,700 m高度层分别为0.188 7、0.167 8、0.167 1;460 m高度层以下各拟合α值总体与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中的C类地表粗糙度的接近,但蓬莱站高度280 m以下的更接近B^C类中值;700 m高度层拟合α值总体与GB 50009—2012中的B类地表粗糙度的接近,但东营站的更接近B^C类中值。分析认为：三个观测站不同下垫面粗糙度对α的影响显著,GB 50009—2012中的风剖面模型在高度300 m以下未能与实测风速廓线吻合,100~300 m高度层实测最大风速远大于拟合值,进而探讨指出GB 50009—2012中的拟合指数方法所推荐的统一值存在不足或局限性。在高层构筑物设计时,应确保截断高度层的实际最大风速摆脱地表粗糙度等人为因素影响。     

台风“梅花”影响下近地风脉动特性研究

由建立在上海东海岸边的40m测风塔对台风"梅花"影响过程中的风速、风向等信息进行了全程记录,获得了10m、20m、30m及40m高度处的实测数据。通过对湍流度、阵风因子、峰值因子等脉动风特性参数的分析表明:当风速较低时,湍流度和阵风因子均随平均风速的增大而减小,但当平均风速超过其临界值时,湍流度和阵风因子基本不随平均风速而变化,两者的临界风速分别约为10m/s和12m/s;纵向和横向阵风因子随相应湍流度的增大而增大,并且通过最小二乘拟合得到了它们之间的经验公式;峰值因子(阵风持续时距t=3s)基本上不随10min平均风速的变化而变化,10m、20m和40m高度的各时段峰值因子的均值分别为2.21、2.12和2.00,峰值因子均值随阵风持续时距的变化关系与Durst研究结果较为吻合。     

台风作用下低矮房屋屋面角部峰值压力实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房及台风测试系统,开展了近地登陆台风风场和房屋表面风压现场实测,主要研究近地边界层登陆台风风场特性和低矮房屋风效应。主要根据1003号"灿都"台风的实测风速和风压数据,研究近地台风风场湍流特征和屋面角部峰值负压。分析来流方向不同地貌状况和台风不同区域的近地10m高度的湍流度、阵风因子、湍流积分尺度等湍流特征参数;探讨实验房屋面角部区域风压分布特征和角部区域峰值压力时间和空间的平均效应。在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘区域测点具有较大的峰值负压和脉动风压,实测最小峰值负压为-4240.0Pa,峰值负压系数最小值为-13.5,风压系数概率分布为非高斯分布。评估了来流不同湍流强度和湍流积分尺度对角部区域风压的影响。并运用非高斯峰值因子极值分析方法对角部区域峰值负压进行极值分析,最后将角部区域风压系数的实测值及极值分析值与现行ASCE 7-10规范规定值进行比较,现行ASCE 7-10规范相对低估其屋檐角部边缘区域的峰值负压系数。