近海岸近海岸臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)荷載的實(shí)測(cè)研究

近海岸近海岸臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)荷載的實(shí)測(cè)研究

0實(shí)測(cè)風(fēng)荷載數(shù)據(jù)分析近年來，近海建筑和大型橋梁等項(xiàng)目不斷建設(shè)。海岸工程的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)和安全性尤為重要。在強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)極端條件下,近地風(fēng)場(chǎng)特性和結(jié)構(gòu)極值風(fēng)荷載的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究,對(duì)近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估有著重要的意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者本文基于近海岸100m測(cè)風(fēng)塔在2009~2011年期間測(cè)得的10m、50m、65m、80m、100m5個(gè)不同高度實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù),以10m高度平均風(fēng)速大于10m/s為強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),選取有效分析風(fēng)速樣本,應(yīng)用Bootstrap統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)近海岸海面來流地貌條件,臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度剖面及相關(guān)湍流特征參數(shù)進(jìn)行分析,并探討了臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地層的平均風(fēng)剖面指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子等參數(shù)的差異,同時(shí)將實(shí)測(cè)結(jié)果與風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值進(jìn)行比較,檢驗(yàn)風(fēng)荷載規(guī)范的適宜性。本文研究結(jié)果可為近海岸工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)剖面參數(shù)取值提供參考。1靠近地幔層的風(fēng)特征1.1平均風(fēng)速剖面模型在強(qiáng)風(fēng)作用下,近地中性穩(wěn)定大氣邊界層的湍流主要由地面粗糙度控制,平均風(fēng)速剖面變化規(guī)律常認(rèn)為符合指數(shù)律或?qū)?shù)律指數(shù)律模型:式中:z對(duì)數(shù)律模型:式中:k為卡曼常數(shù),取0.4;u1.1.1離差分析模型依據(jù)指數(shù)律模型式可得:設(shè)各高度擬合計(jì)算風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速離差平方和計(jì)算式如下:式中:U(z)為實(shí)測(cè)值,U(z各高度擬合計(jì)算風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速離差平方和均方根誤差計(jì)算式如下:擬合風(fēng)剖面的相對(duì)誤差大小定義為離差平方和均方根誤差與參考風(fēng)速大小的比值如下:1.1.2最佳負(fù)荷模型的調(diào)整依據(jù)對(duì)數(shù)律模型計(jì)算式可得:摩擦速度定義為:式中:τ1.2脈動(dòng)風(fēng)荷載流度湍流度反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度,是確定脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)之一。湍流度定義為平均時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平方向平均風(fēng)速的比值:式中σGB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范式中α為風(fēng)剖面指數(shù),其值與地貌狀況相關(guān)。對(duì)應(yīng)于A類地貌,規(guī)范給定值為0.12。I1.3陣風(fēng)因子剖面風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子來表示。陣風(fēng)因子定義為陣風(fēng)持續(xù)期的平均風(fēng)速最大值與平均時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速的比值:本文取陣風(fēng)持續(xù)期t陣風(fēng)峰值因子定義為:式中:U陣風(fēng)因子和湍流度在物理上都表示風(fēng)速的脈動(dòng)強(qiáng)度,相互關(guān)系可表示為:依據(jù)式湍流強(qiáng)度剖面計(jì)算式(12)和式(15)可得各高度的陣風(fēng)因子剖面計(jì)算式:1.4東北部風(fēng)速模型擬合結(jié)果以選取梯度風(fēng)各高度范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速樣本,采用指數(shù)律模型擬合得到各樣本的風(fēng)剖面指數(shù)計(jì)算序列(α1)根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)樣本擬合得到的α指數(shù),記作α3)對(duì)樣本作有放回模擬再抽樣4)按步驟3)連續(xù)重復(fù)B次,即得到B個(gè)Bootstrap再生樣本,用矩陣表示為:計(jì)算再生樣本的統(tǒng)計(jì)量:其中:y″5)根據(jù)再生樣本y″6)采用百分位法進(jìn)行參數(shù)的區(qū)間估計(jì):Bootstrap估計(jì)量θ按從小到大排序,則置信度1-δ的置信區(qū)間為(k2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)據(jù)篩選2.1風(fēng)速觀測(cè)系統(tǒng)及條件測(cè)風(fēng)塔位于海南文昌木蘭頭,東經(jīng)110°44′,北緯20°09′,在離地面10m、50m、65m、80m、100m高度處布設(shè)安裝了NRG-Symphonie型杯式風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速觀測(cè),同時(shí)在50m、65m、100m高度處安裝了風(fēng)向儀進(jìn)行風(fēng)向角的觀測(cè)。測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率為1Hz,每10min輸出1組平均風(fēng)速風(fēng)向、極大風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差等。觀測(cè)塔觀測(cè)地貌狀況:東北方位來流地貌條件為海面,距離海岸線約為50m;西南方位為平坦開闊場(chǎng)地,下墊面為近地有2~3m高的馬尾松防護(hù)林。2.2強(qiáng)風(fēng)樣本選取2009年7月至2011年7月兩年期間,近海岸梯度風(fēng)觀測(cè)塔獲取的近地臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)及季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)有效觀測(cè)樣本的極值風(fēng)速統(tǒng)計(jì)如表1所示,臺(tái)風(fēng)“彩虹”實(shí)測(cè)3s最大平均風(fēng)速為26.2m/s,10min最大平均風(fēng)速為20.4m/s。臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”實(shí)測(cè)3s最大平均風(fēng)速為26.2m/s,10min最大平均風(fēng)速為20.3m/s。臺(tái)風(fēng)“芭瑪”實(shí)測(cè)3s最大平均風(fēng)速為20.1m/s,10min最大平均風(fēng)速為14.7m/s。本文以測(cè)風(fēng)塔10m高度處10min平均風(fēng)速大于10m/s為強(qiáng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),選取臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)風(fēng)樣本數(shù)據(jù),對(duì)近地邊界層風(fēng)特性進(jìn)行分析。10m高度處臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向角樣本分布如圖1(a、b)所示:臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)樣本主要分布在30°~60°范圍內(nèi),因而本文選取風(fēng)向角分布在30°~60°范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)樣本,該方位來流地貌為近海面,考慮來流經(jīng)歷由海面地貌到近海岸地貌條件,存在內(nèi)部邊界層高度需確定問題。參考文獻(xiàn)[17]給出的內(nèi)部邊界高度計(jì)算公式,根據(jù)測(cè)風(fēng)塔距其海岸線大約為50m,假設(shè)海面地貌粗糙度長(zhǎng)度由0.002m過渡到0.02m地貌條件時(shí),其內(nèi)部邊界層高度值約為7.1m。因而本文實(shí)測(cè)各高度風(fēng)速實(shí)測(cè)大小反映來流為海面地貌條件下的邊界層風(fēng)速,旨在分析近海岸海面地貌狀況下臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性。各觀測(cè)層的高度應(yīng)從海平面開始,根據(jù)實(shí)際量測(cè)測(cè)風(fēng)塔相對(duì)海面高度差約為4m。同時(shí)考慮到強(qiáng)風(fēng)條件下受海浪的影響,測(cè)風(fēng)塔平面位置相對(duì)海面高度差近似取為3m,即各觀測(cè)層的高度分別為13m、53m、68m、83m、103m。3風(fēng)屬性分析3.1平均風(fēng)剖面指數(shù)和對(duì)數(shù)律模型選取來流為近海面地貌條件下,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)各觀測(cè)高度的平均風(fēng)速數(shù)據(jù),應(yīng)用對(duì)數(shù)律模型和指數(shù)律模型對(duì)風(fēng)剖面進(jìn)行最小二乘線性擬合?？紤]當(dāng)10m高度風(fēng)速達(dá)到17.2m/s時(shí),風(fēng)力等級(jí)將達(dá)到八級(jí)大風(fēng)級(jí)。因而以風(fēng)速17.2m/s為分界線對(duì)臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”風(fēng)速劃分區(qū)間,區(qū)間[10,17.2)為“凱薩娜”(I),區(qū)間[17.2,20.3)為“凱薩娜”(II)。指數(shù)律、對(duì)數(shù)律風(fēng)剖面參數(shù)擬合值如表2所示:臺(tái)風(fēng)“彩虹”風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.122,應(yīng)用Boostrap法計(jì)算得到的風(fēng)剖面指數(shù)α均值在95%置信度條件下的置信區(qū)間為[0.115,0.130];臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”(I)平均風(fēng)速小于17.2m/s樣本的風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.128;臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”(II)平均風(fēng)速大于等于17.2m/s大風(fēng)樣本的風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.119;“芭瑪”風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面α指數(shù)均值范圍為0.118,各臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與規(guī)范GB50009-2012中A類地貌條件風(fēng)剖面指數(shù)α規(guī)定值0.120相近。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.062,其95%置信區(qū)間為[0.060,0.063]。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)α均值小于規(guī)范值和臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)值。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)地面粗糙度長(zhǎng)度和摩擦速度與平均風(fēng)速大小相關(guān),與季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)相比,地面粗糙度長(zhǎng)度和摩擦速度相對(duì)增大。近地100m高度范圍內(nèi)的指數(shù)律和對(duì)數(shù)律剖面以及相關(guān)擬合曲線如圖2所示。由圖2(a)可知:“彩虹”臺(tái)風(fēng)近地層平均風(fēng)剖面各高度平均風(fēng)速變化規(guī)律符合指數(shù)律和對(duì)數(shù)律模型。同理由圖2(b-e)可知,指數(shù)律和對(duì)數(shù)律模型對(duì)臺(tái)風(fēng)“凱薩娜(I)、(II)”和“芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地層平均風(fēng)剖面各高度風(fēng)速擬合基本較好,各臺(tái)風(fēng)指數(shù)律風(fēng)剖面擬合相對(duì)誤差值與參考風(fēng)速變化關(guān)系如圖2(f)所示,整體上相對(duì)誤差約為2%左右,表明強(qiáng)風(fēng)條件下指數(shù)律和對(duì)數(shù)律模型都能較好的反映近地100m高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速變化規(guī)律。值得說明的是,在50~70m高度范圍,近地層存在一段風(fēng)速變化大小變化不明顯區(qū)間,這與文獻(xiàn)[18]在近海平坦地貌條件,海面來風(fēng)時(shí),在50~70m高度范圍,風(fēng)速大小變化不明顯,具有相似的現(xiàn)象,在高度60m附近范圍存在強(qiáng)風(fēng)區(qū)段。其主要原因仍需要通過采用超聲風(fēng)速儀等資料分析其區(qū)間梯度風(fēng)變化規(guī)律及差異產(chǎn)生的原因。3.2流量特征3.2.1湍流強(qiáng)度分布規(guī)律選取來流為近海面地貌條件下,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)“彩虹”、“凱薩娜”、“芭瑪”及季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)各觀測(cè)高度的平均風(fēng)速及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的強(qiáng)風(fēng)樣本,統(tǒng)計(jì)分析了近海岸地貌下,臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地邊界層湍流度分布規(guī)律。如表3所示:“彩虹”、“凱薩娜”樣本(I)、(II)和“芭瑪”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)13m高度湍流強(qiáng)度均值分別為0.119、0.135、0.123和0.125,均值范圍為0.119~0.135,略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計(jì)算值0.116。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)13m高度湍流強(qiáng)度均值為0.104,略小于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計(jì)算值。如圖3所示,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)平均湍流度沿高度變化規(guī)律符合指數(shù)律分布,各臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度平均剖面與現(xiàn)行規(guī)范給定值相接近。應(yīng)用公式(12)和實(shí)測(cè)風(fēng)剖面指數(shù)z3.2.2陣風(fēng)因子沿高度變化基于13m、53m、68m、83m、103m5個(gè)不同高度處相對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速及3s最大陣風(fēng)風(fēng)速,統(tǒng)計(jì)分析臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地邊界層陣風(fēng)因子及剖面。如表3所示:臺(tái)風(fēng)“彩虹”、“凱薩娜(I)”、“凱薩娜(II)”和“芭瑪”在13m高度處的陣風(fēng)因子均值分別為1.33、1.38、1.36、1.37,略大于現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計(jì)算值1.29。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)13m高度陣風(fēng)因子均值為1.30,與現(xiàn)行規(guī)范A類地貌規(guī)范計(jì)算值接近。如圖4所示,實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子沿高度變化規(guī)律同樣符合指數(shù)律分布,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值,季風(fēng)陣風(fēng)因子與規(guī)范推算值相接近。依據(jù)陣風(fēng)因子計(jì)算式(16),采用實(shí)測(cè)風(fēng)剖面指數(shù)α擬合值和各臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度剖面擬合13m高度湍流度擬合值即I3.3風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速和陣風(fēng)因子選取臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”(I)、(II)風(fēng)場(chǎng)樣本統(tǒng)計(jì)的風(fēng)特性參數(shù),探討風(fēng)特性參數(shù)與平均風(fēng)速的相關(guān)性。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖5所示:臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)α隨平均風(fēng)速增大有減小趨勢(shì)。類似對(duì)數(shù)律擬合得臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)摩擦速度和地面粗糙度長(zhǎng)度與平均風(fēng)速大小相關(guān),如圖6、圖7所示,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)地面粗糙度長(zhǎng)度隨平均風(fēng)速增大而減少,而摩擦速度隨平均風(fēng)速增大而增大。臺(tái)風(fēng)“凱薩娜”(I)、(II)風(fēng)場(chǎng)樣本的相對(duì)海面高度為13m處的湍流強(qiáng)度與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖8所示,在平均風(fēng)速10~22m/s范圍內(nèi),臺(tái)風(fēng)的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而減小,隨平均風(fēng)速的進(jìn)一步增大而相對(duì)趨于穩(wěn)定。相對(duì)海面高度為13m處的陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速的關(guān)系如圖9所示,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在平均風(fēng)速10~22m/s范圍內(nèi),陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速的變化相對(duì)穩(wěn)定。綜上所述,近海岸地貌強(qiáng)風(fēng)條件下,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)、湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子大于季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。各臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)湍流參數(shù)隨著平均風(fēng)速增大有減小的趨勢(shì),隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大而趨于穩(wěn)定。與文獻(xiàn)[6-7]具有相似的結(jié)論,各臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)湍流參數(shù)隨著平均風(fēng)速增大而減少,而在平均風(fēng)速17.2~22m/s區(qū)間范圍相對(duì)趨于平穩(wěn)。4風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析基于近地層風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性的實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速樣本,對(duì)近海岸地貌強(qiáng)風(fēng)條件下臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)如風(fēng)剖面指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得到如下結(jié)論:1)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地平均風(fēng)速剖面符合指數(shù)律或?qū)?shù)律,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)α均值約為0.12,與規(guī)范規(guī)定值接近。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)α均值為0.06,小于規(guī)范值。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)地面粗糙度長(zhǎng)度及摩擦速度較季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)值偏大達(dá)70%;2)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)平均湍流度剖面符合指數(shù)律分布,臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度平均剖面與規(guī)范A類地貌湍流強(qiáng)度推算值相一致。季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)各高度實(shí)測(cè)湍流度明顯小于規(guī)范給定值;3)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子剖面變化規(guī)律同樣符合相應(yīng)的平均風(fēng)速剖面α指數(shù)律分布。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子剖面大于現(xiàn)行規(guī)范給定值,季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)陣風(fēng)因子與規(guī)范給定值接近;4)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)剖面α指數(shù)、湍流度和陣風(fēng)因子大于季風(fēng)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。各臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)