峡谷复杂地形风场空间分布特性试验研究

山区峡谷地貌复杂,风场参数确定是桥梁设计面临的突出问题,而现有桥梁抗风规范缺乏对此类地形条件的描述;以某实桥作为工程背景,进行了桥址区峡谷地形风洞试验研究。根据试验数据分析了峡谷复杂地形下不同风向的平均风和脉动风特性,并基于气象站历史风速记录和规范风速标准,总结了以梯度风高度及基本风压推算桥址区基本风速的方法。试验结果表明:桥址峡谷地带,无明显峡谷风效应,平均风剖面分布不能依据统一形式描述;拟合得到桥址桥面高度处风速剖面指数α=0.20,地表类型归为C类;顺着峡谷中心来流,湍流强度值明显小于其它来流;与理论曲线相比,实测风速功率谱在低频段偏低而高频段略微偏高;随着风向角增大,水平脉动风速谱向高频段偏移。     

西部河谷地区三水河桥址风场特性试验研究

以三水河特大桥为工程背景,通过风洞试验研究了西部河谷地区桥址处风场特性,分析了西部河谷地区不同风向来流时桥址处风剖面、湍流强度、积分尺度及脉动风功率谱变化情况。通过梯度风速相似关系,结合规范梯度风速,提出由风洞试验实测桥址处风剖面指数及梯度风高度反算桥梁设计基准风速的方法。试验结果表明:当来流与河谷走向一致时风剖面接近幂指数分布,其他风向角风剖面不能用统一的幂指数分布表示,河谷风平均风剖面指数较其他风向小,拟合得到指数为0.142;河谷内的湍流度比较大,特别是在接近边坡的位置,桥面高度跨中的湍流度大于15%;由于桥梁结构位于河谷内,平均风速在来流风速的基础上被衰减而非放大,桥址处无明显的峡谷风效应;湍流积分尺度与脉动风功率谱的变化需要考虑周围山地的影响。     

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。     

台风“布拉万”远端风场阵风特性分析

基于安装于西堠门大桥上的风速仪收集到的台风"布拉万"远端风场风速资料,分析了"布拉万"过境时桥址处平均风速、风向和紊流特性的变化,重点探讨了不同计算时距条件下阵风因子的分布概型及其均值、极值的变化规律,研究结果表明:台风"布拉万"远端风场紊流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,高风速下顺风向紊流强度为0.18,大于桥梁抗风规范建议值,且横风向和竖向风速相对脉动强度均比桥梁抗风规范值小;台风"布拉万"远端风场顺风向、横风向和竖向的阵风因子均服从广义极值分布,随着计算时距的增大其分布概型逐渐由极值Ⅲ型转变为极值Ⅱ型,且95%保证率条件下顺风向阵风因子与建筑结构抗风规范取值一致;台风"布拉万"远端风场阵风因子随阵风计算时距的变换规律可以用对数高斯函数加以描述。     

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。     

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。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的边界层风剖面实测研究

对基于六旋翼无人机搭载风速仪进行边界层风场测量的可行性进行了研究,分析了实测得到的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度与功率谱密度等风场特性参数,并与测风塔上固定安装的风速仪测量结果进行比较。结果表明:基于无人机方法所测得的风速风向值经过修正后与测风塔实测值基本一致,两者误差在±3%以内;基于无人机方法所测风速拟合的风剖面精度较高,且与规范规定的B类地貌风剖面接近,其拟合计算的平均地面粗糙度为0.148;基于无人机方法所测得的各项脉动风特性参数与测风塔的实测值较为接近,两者误差控制在±5%以内;湍流度与阵风因子存在指数相关性;基于无人机方法所测得的脉动风速功率谱与测风塔所测脉动风速功率谱基本一致,且与Karman谱有较好的吻合。     

苏通大桥凤凰台风现场实测分析

苏通大桥地处中国东部沿海地区,该地区易受台风袭击.为了分析该桥桥址区的实际台风特性,建立桥址区台风特性数据库,在大桥塔顶、主梁跨中及梁端安装了超声风速仪进行桥址区风特性现场实测.2008年7月台风"凤凰"袭击江苏时,风速仪记录了经过桥址区的三维强风样本.通过对实测凤凰台风数据的分析,得到了10-min平均风速和风向、紊流强度、紊流积分尺度以及紊流功率谱密度函数等强风特性.结合与现行桥梁抗风规范的对比,总结了桥址区的台风特性及规律.结论为大桥的抗风评价提供了可靠依据,同时可供华东沿海地区其它工程结构的抗风参考.     

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。     

一种山区峡谷桥址区风场特性数值模拟方法

为准确获得山区峡谷桥址处的风场特性,以一座在建的山区峡谷大跨度桥梁为工程背景,基于开源的计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM平台,提出了一种山区峡谷桥址处风场特性的数值模拟方法,改进了计算域形态,设置了地形过渡段,并利用"虚拟标准气象站"法获得了计算域入口风速条件,从而实现了高质量的山区风场数值模拟,解决了数值计算雷诺数与实际不符的难题。在此基础上,分析了大桥主梁上横桥向和顺桥向的风速及放大系数、风攻角、风向角和不同跨度处的风剖面。同时结合流线显示方法,研究了桥址处主梁风场流动机理。结果表明:该桥址处的基本风速为24.75 m/s;河道岸边的陡峭山体对气流的干扰作用很大,使风攻角、风向角和风速放大系数在桥位处发生较剧烈变化;部分来流下的风剖面形态受地形影响较大,底部出现急加速现象,风速呈现显著的剪切特性。该研究提出的数值模拟方法丰富了山区峡谷桥址处风场特性分析手段,对山区桥梁抗风设计有一定的指导作用。     

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。     

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。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

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。     

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.     

不同立面收缩形式圆角弧边三角形超高层建筑的气动力特性

为探索立面变化对圆角弧边三角形超高层建筑气动力特性的影响,采用风洞试验方法对6种立面收缩形式的建筑物进行了表面风压测试,研究了不同立面收缩形式、不同地貌和风向角情况下建筑三分力系数、横风向弯矩系数功率谱以及层脉动升力系数功率谱的变化特性。结果显示：锥度化和同向退台均可有效降低平均阻力系数、平均升力系数以及脉动升力系数,且降幅随锥度增大而增大,相比之下退台的效果更佳;两种退台旋转可更大程度减小三个平均分力系数和脉动阻力系数,并改变脉动升力系数和脉动扭矩系数峰值所对应的风向范围。随着锥度增大,横风向弯矩系数功率谱峰值频率右移,谱峰降低,采用退台则影响程度更大。退台旋转会使功率谱部分频段的能量明显超过同向退台情况,因为当旋转部分圆角迎风时,在两侧风弧面上加速的气流可对上方相邻退台的漩涡脱落起增强效应。     

地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风场影响研究

为研究地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风环境的影响,通过计算流体力学数值模拟的方法,对不同粗糙度下理想峡谷与真实峡谷模型中主梁跨中位置的风剖面进行了研究。通过理想模型的计算分析,确定了不同风向角下主梁跨中风剖面随粗糙度变化的一般规律,结合对峡谷内流场特点的分析,揭示了粗糙度对峡谷内风速造成影响的原因,并在真实地形模型中进行了验证,根据地表种类细化了粗糙度设置方案。研究表明,在峡谷地形条件下,粗糙度对风速的影响与常规地形有明显差异,在主梁高度处,随着粗糙度的增加,主梁跨中风速可能会有不同程度的增加。研究结论为山区峡谷地形处桥梁设计风速确定提供了依据。