東南沿海近程臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程近地面脈動(dòng)特性實(shí)測(cè)分析

東南沿海近程臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程近地面脈動(dòng)特性實(shí)測(cè)分析

0脈動(dòng)風(fēng)特性的實(shí)測(cè)與分析隨著建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)在整個(gè)負(fù)荷響應(yīng)中的比例日益增加，有時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制問(wèn)題。工程領(lǐng)域中,通常采用平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)疊加計(jì)算風(fēng)荷載,其中,脈動(dòng)風(fēng)作為風(fēng)荷載中引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的部分,通常采用陣風(fēng)因子、紊流度等表征。目前,在土木工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中對(duì)良態(tài)風(fēng)的脈動(dòng)特性的研究較多,由于臺(tái)風(fēng)的產(chǎn)生機(jī)理有別于良態(tài)風(fēng),臺(tái)風(fēng)作用下的脈動(dòng)風(fēng)特性也不同于良態(tài)風(fēng)作用下的脈動(dòng)風(fēng)特性,因此,應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下的脈動(dòng)風(fēng)荷載進(jìn)行實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)及其風(fēng)特性實(shí)測(cè)進(jìn)行了大量研究,但是由于風(fēng)場(chǎng)特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中所需人工和物力消耗大、測(cè)試周期長(zhǎng),難以獲得有效數(shù)據(jù),同時(shí),由于臺(tái)風(fēng)具有地域性和強(qiáng)變異性,對(duì)于臺(tái)風(fēng)近地脈動(dòng)風(fēng)特性的研究有待深入。Choi由以上文獻(xiàn)中的分析可知,臺(tái)風(fēng)作用下和良態(tài)風(fēng)作用下的風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)特性存在很大差異。為此,本文作者利用浙江臺(tái)州海域東海塘觀測(cè)塔(120m高,地處東海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)主要登陸地之一),選擇發(fā)生時(shí)間相近,并對(duì)我國(guó)東南沿海一帶產(chǎn)生較大影響的3次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程,即海棠(Haitang0505)、麥莎(Matsa0509)和卡努(Khanun0515),對(duì)其登陸時(shí)段距地面不同高度處脈動(dòng)風(fēng)速記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,基于概率統(tǒng)計(jì)算法對(duì)近地臺(tái)風(fēng)的陣風(fēng)因子和紊流度的概率分布進(jìn)行研究,并將實(shí)測(cè)結(jié)果與規(guī)范建議值以及Sharma等1采樣過(guò)程及樣本記錄情況東海塘觀測(cè)塔位于東經(jīng)121.6°,北緯28.4°,地處東海塘海灣平原地區(qū)(海拔高度20m),距浙江省溫嶺市松門鎮(zhèn)東北約5km。觀測(cè)塔周邊地形為開墾農(nóng)田和沿海灘涂,按照J(rèn)TG/TD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,東海塘測(cè)風(fēng)塔周邊地形屬于A類場(chǎng)地,如圖1所示。觀測(cè)塔高120m,在其10、30、50、60、70m高度處布置測(cè)風(fēng)設(shè)備。采用Nomad系列機(jī)械軸測(cè)式風(fēng)速記錄儀,可在溫度-55~60℃范圍內(nèi),長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠工作。觀測(cè)塔記錄的3次臺(tái)風(fēng)都發(fā)生于2005年下半年。臺(tái)風(fēng)海棠(Haitang0505)于2005年7月13日20:00在關(guān)島東北洋面上加強(qiáng)成為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,14日14:00發(fā)展成為臺(tái)風(fēng),近中心最大風(fēng)速65m/s,最低氣壓910hPa,18日8:00在臺(tái)灣花蓮登陸,19日17:10在福建省福州市連江縣黃岐鎮(zhèn)再次登陸;臺(tái)風(fēng)麥莎(Matsa0509)于2005年7月31日20:00在菲律賓以東洋面上生成,8月3日2:00加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng),近中心最大風(fēng)速45m/s,最低氣壓950hPa,6日3:40在浙江省臺(tái)州市玉環(huán)縣登陸;臺(tái)風(fēng)卡努(Khanun0515)于2005年9月7日0:00在菲律賓以東的西北太平洋洋面由熱帶低氣壓升級(jí)為熱帶風(fēng)暴,8日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng),近中心最大風(fēng)速50m/s,最低氣壓945hPa,11日14:50在浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)金清鎮(zhèn)登陸。3次臺(tái)風(fēng)樣本記錄情況見表1。臺(tái)風(fēng)海棠、麥莎和卡努的路徑及臺(tái)風(fēng)風(fēng)速樣本記錄區(qū)間如圖2所示。由表1和圖2可知,臺(tái)風(fēng)海棠的中心路徑距離東海塘觀測(cè)塔較遠(yuǎn),最短距離為301.8km,而臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努的中心路徑較東海塘觀測(cè)塔較近,最短距離分別為38.2km和9.5km。2測(cè)量結(jié)果和分析2.1紊流度和陣風(fēng)因子紊流度反映了脈動(dòng)風(fēng)的相對(duì)強(qiáng)度,通常定義為平均時(shí)距10min的脈動(dòng)風(fēng)速的樣本標(biāo)準(zhǔn)差σ式中,I陣風(fēng)因子表示平均時(shí)距內(nèi)最大陣風(fēng)風(fēng)速與相應(yīng)平均風(fēng)速的比值,通常定義為陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間的最大陣風(fēng)風(fēng)速與平均時(shí)距10min的平均風(fēng)速的比值,即式中:G根據(jù)式(1)、(2),以各時(shí)刻順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向,計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)海棠、麥莎和卡努的樣本記錄時(shí)間內(nèi)的紊流度和陣風(fēng)因子時(shí)程,見圖3~5。從圖3~5中可以看到,臺(tái)風(fēng)海棠、麥莎和卡努的順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子均隨高度的增加而減小。由圖3可見,對(duì)于距離東海塘觀測(cè)塔較遠(yuǎn)的臺(tái)風(fēng)海棠,其樣本記錄時(shí)間內(nèi)的順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子在不同高度處的取值差異較小,且其隨時(shí)間歷程變化規(guī)律不明顯,也與臺(tái)風(fēng)是否登陸無(wú)關(guān)。而由圖4和圖5可見,對(duì)于距離東海塘觀測(cè)塔較近的臺(tái)風(fēng)麥莎和卡努,其不同高度處的順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子與登陸狀態(tài)有關(guān),即臺(tái)風(fēng)登陸前,10m高度處順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子的總體取值和紊亂程度與30m高度及以上的取值情況差異明顯,而臺(tái)風(fēng)登陸后,不同高度處的紊流度和陣風(fēng)因子相差較小。2.2極值分布類型根據(jù)JTG/TD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《橋規(guī)》)、GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、ANSI/ASCEStandard7-95式中,μ為位置參數(shù),σ為尺度參數(shù),ε為形狀參數(shù)。當(dāng)改變形狀參數(shù)ε時(shí),可獲得不同的極值分布類型。當(dāng)ε>0,F(x;μ,σ,ε)為位置參數(shù)等于μ-σ/ε、尺度參數(shù)等于σ/ε的極值Ⅱ型分布(Frechet分布);當(dāng)ε=0,F(x;μ,σ,ε)為位置參數(shù)等于μ、尺度參數(shù)等于σ的極值Ⅰ型分布(Gumbel分布);當(dāng)ε<0,F(x;μ,σ,ε)為位置參數(shù)等于μ-σ/ε、尺度參數(shù)等于-σ/ε的極值Ⅲ型分布(Weibull分布)。其概率密度函數(shù)為2.2.1紊流度采用廣義極值分布函數(shù)和極大似然參數(shù)估計(jì)法,獲得東海塘觀測(cè)塔在10、30、50、60、70m高度處的3次臺(tái)風(fēng)作用下的順風(fēng)向紊流度廣義極值分布概率密度函數(shù)擬合曲線,見圖6。從圖6可知,采用極大似然參數(shù)估計(jì)法得到廣義極值分布概率密度函數(shù)的形狀參數(shù)ε均大于0,即東海塘觀測(cè)塔不同高度的3次臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)紊流度概率分布均服從極值Ⅱ型(Frechet分布)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,紊流度的均值隨高度的增加而減小,而集中程度隨高度的增加而提高。紊流度廣義極值分布概率密度函數(shù)在50m高度以上變化不明顯?；跂|海塘測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速,獲得3次臺(tái)風(fēng)近地面不同高度順風(fēng)向紊流度的均值,并與《橋規(guī)》以及Sharma等式中,I由圖7可見,對(duì)于A類場(chǎng)地,臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)順風(fēng)向紊流度隨高度的衰減比《橋規(guī)》計(jì)算結(jié)果要快;近地面20m高度內(nèi)臺(tái)風(fēng)氣候條件下的紊流度大于《橋規(guī)》規(guī)定的陣風(fēng)因子取值0.14,20m高度以上的紊流度小于《橋規(guī)》規(guī)定的取值。但此次統(tǒng)計(jì)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中給出的臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)紊流度修正結(jié)果相比,均明顯偏小?？梢?基于概率統(tǒng)計(jì)的臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)紊流度取值相對(duì)于取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均值作為抗風(fēng)設(shè)計(jì)的參考值更安全、可靠。2.2.2陣風(fēng)因子采用廣義極值分布函數(shù)和極大似然參數(shù)估計(jì)法,獲得東海塘觀測(cè)塔在10、30、50、60、70m高度處的順風(fēng)向陣風(fēng)因子廣義極值分布概率密度函數(shù)擬合曲線見圖8。從圖8可知,采用極大似然參數(shù)估計(jì)法得到廣義極值分布概率密度函數(shù)的形狀參數(shù)ε都大于0,因此東海塘觀測(cè)塔不同高度的順風(fēng)向陣風(fēng)因子概率分布均服從極值Ⅱ型分布(Frechet分布)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,順風(fēng)向陣風(fēng)因子的均值隨高度的增加而減小,而集中程度隨高度的增加而提高,概率密度函數(shù)在50m高度以上變化逐漸變得不明顯。與紊流度統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似?；跂|海塘測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速,可以獲得3次臺(tái)風(fēng)近地風(fēng)特性順風(fēng)向陣風(fēng)因子不同高度的平均值,并與《橋規(guī)》以及Sharma等式中,G由圖9可知,A類場(chǎng)地條件,近地面40m高度內(nèi)臺(tái)風(fēng)氣候條件下的陣風(fēng)因子大于《橋規(guī)》規(guī)定的陣風(fēng)因子取值1.29,近地面40m高度以上的取值小于《橋規(guī)》規(guī)定的,可見,將不同高度處的陣風(fēng)因子取為常量與實(shí)際陣風(fēng)因子取值有差異,因此,設(shè)計(jì)時(shí)宜計(jì)入高度對(duì)陣風(fēng)因子的影響。另外,此次統(tǒng)計(jì)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中給出的臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)陣風(fēng)因子取值修正結(jié)果相比,均明顯偏小?？梢?作為抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)特性參考值,臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)陣風(fēng)因子基于概率統(tǒng)計(jì)取值較均值取值更安全、可靠。2.2.3臺(tái)風(fēng)的高度和高度比較以上3次臺(tái)風(fēng)過(guò)程以及圖7和圖9中臺(tái)風(fēng)順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子不同高度處的實(shí)測(cè)結(jié)果,可以看到,陣風(fēng)因子和紊流度都有隨高度增加而減小的趨勢(shì)。Sharma等其中,擬合參數(shù)a介于0.83~1.15之間,b取值為2.67~2.73,分別比Sharma等在澳大利亞A類場(chǎng)地給出的臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)換算系數(shù)小38.1%和27.1%。這是因?yàn)?一方面臺(tái)風(fēng)地域性特點(diǎn)顯著;另一方面是臺(tái)風(fēng)在東南沿海登陸時(shí)已處于衰減階段,風(fēng)場(chǎng)參數(shù)總體上更加趨向良態(tài)風(fēng)作用的結(jié)果。3紊流度和陣風(fēng)因子1)臺(tái)風(fēng)歷經(jīng)過(guò)程中,A類場(chǎng)地順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子隨高度的增加而減小。遠(yuǎn)程臺(tái)風(fēng)以及近程臺(tái)風(fēng)登陸后不同高度處順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子差異較小,而近程臺(tái)風(fēng)登陸前10m高度處順風(fēng)向紊流度和陣風(fēng)因子與其他高度的差異較大。2)臺(tái)風(fēng)作用下A類場(chǎng)地,近地面20m高度內(nèi)順風(fēng)向紊流度以及40m高度內(nèi)順風(fēng)向陣風(fēng)因子的實(shí)測(cè)均值大于規(guī)范值,20m高度以上順風(fēng)向紊流度以及40m高度