土木工程相关之近地台风性能观测分析
第1章绪论
1.1课题背景
台风是发源于纬度5-200之间热带海洋上的具有巨大破坏性的一种天气系统，是强灾害性天气之一。西北太平洋地区是全球发生台风次数最多、强度最大的一个海区，平均每年有28个台风生成，约占全球台风总数的1/3。影响我国的热带气旋都发生在西北太平洋的热带洋面上(包括中国南海)，在离开源地后向偏北、西北、偏西或东北方向移动，并逐渐加强，其中大部分可达到台风的强度，因此，我国极易遭受台风的袭击，是世界上少数遭受台风影响最严重的国家之一。据统计，在我国登陆的台风大约占整个西北太平洋台风总数的35%，平均每年有7-8个台风正面登陆我国沿海，影响范围包括东南沿海各省份，有时候甚至深入内陆 1500km[2]。
1.2本课题研究的目的及意义
风荷载是建筑结构的一种典型的动力荷载，其对建筑结构物的作用效果是由风特性决定的。与建筑结构风荷载直接相关的风特性主要有:平均风速风向、湍流强度、峰值因子、湍流积分长度和脉动风速谱等[3]。这些风特性是由大气运动中动量、热量、水分等的输送与平衡以及边界层的摩擦等因素所决定的[4]。不同尺度、不同类型的天气过程，它的驱动因素和运动特征是不一样的[5]。现行的建筑结构抗风设计规范中关于风荷载的平均风和脉动风特性大部分是根据季候风的研究结果得到的，由于在季候风中，大气运动中动量、热量、水分等的运输与平衡与台风有显著的差别，所以季候风特性与台风的风特性有显著的差别险。
随着我国经济日新月异的发展，在越来越多经济发达的地区建起了许多超高层建筑，例如上海的金茂大厦、深圳的地王大厦等。这些超高层建筑大部分由轻质高强的材料所组成，这就导致现在的这些建筑比过去的建筑更柔、更轻、阻尼更小，从而对强风作用下的动荷载反应也越来越敏感，因此对结构抗风设计提出了更高的要求。即在结构设计过程中应对结构在使用阶段可能遇到的风荷载情况以及由此产生的结构响应做出更准确的估算和采取更有效的措施。与季候风相比台风特性不同，所以台风作用在建筑结构上引起的作用效果也会有所不同。对台风湍流特性与结构响应之间的关系进行理论分析，能够使我们更加清楚地认识到台风特性对建筑结构特别是超高层建筑结构风振响应的影响，同时也为这些建筑结构的抗风设计和风致振动估计提供依据和参考。
1.3风特性观测国内外发展状况
1940年，当时规模居世界第三的塔科马大桥，在只有19m/S的风速下，桥析发生了塌落，这一事件震惊了土木工程界，也拉开了风工程研究的序幕，自此之后，各国学者纷纷加入到风工程研究的行列中来，并且取得了一些成绩[9]。风特性资料的获取是风工程研究的基础工作，基于实测资料的分析才具有实际意义。风特性资料的获取主要的途径就是进行风场的现场观测，为此，国内外的学者做了大量的工作。
1.3.1国外研究发展状况
Dvaneport对于风工程的研究做出了巨大的贡献，他通过对世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录进行统计分析，认为水平脉动风速谱中，湍流尺度沿高度是不变的，并提出了著名的Dvaneport谱，并为多个国家的抗风设计规范所应用。他还提出了梯度风高度指数律模型和地面粗糙度等概念，描述了3种不同的地形类别，为风工程的研究奠定了坚实的基础。Harrsi在位于水平地形、并且有较少的障碍物的Rugby通讯站进行4个不同高度的测量。 Devaes和HarriS在cadringtno进行了观测，提供了关于风剖面、风速谱和湍流强度随着高度和积分尺度变化而变化的相关结论，他们的研究表明，积分尺度是地形粗糙度的函数。Duchnee Maurallz在Nnaets地区进行了一系列的研究，他安放了3个相互独立的桅杆，在每个桅杆上，分别在10m、20m、40m和60m的高度上安装了风速仪[l4]。针对2次大风的测量结果，他们计算了阵风因子、湍流积分长度、脉动风速谱、摩擦速度和地面粗糙度高度等指标。结果表明，风速剖面的范围在0.3-0.36之间，地面粗糙度高度在1.2m到1.65m之间，摩擦速度在1.6m/S到2.2m/s之间，湍流强度的随着高度的增加而减小，从 10m高度时的0.3减小到60m高度时的0.2，湍流积分长度随着高度也有一定规律的变化，他们所得到的结果和HarriS所得到的结果有相似的规律，但是，当把风速剖面0.3-0.36考虑在内时，在60m高度得出的积分尺度是190m而不是300m，风速谱和Dvaneport提出的风速谱有相同的形式。Mackey在香港的D Augalir也做了大量的强风特性观测工作，在香港东南方向顶端的海滩上有一个10层楼高的实验场所，他在高度分别为13m、28m、43m、和61m 的位置安装了风速仪。Machye和Choi报告了在5个台风期间测得的结果，在风速从10m/S到40m/s变化时，平均风剖面的值保持在0.19，然而对于阵风剖面，发现存在时间延迟。同时还绘制了在台风风速最大情况下垂直风剖面，拟合风剖面瞬间值表明是不断变化的(从0.08变化到0.4)。尽管分析自相关函数存在问题，但是湍流积分长度还是和Rugby的测量结果比较吻合。
第2章台风特性观测
2.1引言
台风是强灾害性气候之一，常常会给人民生产生活带来巨大的损失。西北太平洋地区是全球发生台风次数最多、强度最大的一个海区，由于台风的结构及其所处的环境流场决定了西北太平洋台风具有向西北方向移动的特性，所以我国是世界上少数的遭受台风影响最严重的国家之一。近年来，随着科学的进步、文明的发展，我国各种超高层、超大跨度建筑逐年增多，这些结构变得更轻更柔，使得风荷载成为其主要的侧向荷载，从而对结构的抗风设计提出了更高的要求，风特性特别是台风特性的研究也越来越受到工程界的`重视。对台风特性现场实测是研究台风特性的基础工作，是获取台风特性资料的基本手段。本章将介绍作者所完成的两项实测工作，分别是2005年8月13日对第10号台风“Snavu”进行现场观测;在2005年8月至10月期间，在地王大厦楼顶架设三维超声风速仪和二维螺旋桨风速仪，测量城市中心台风过程中的风特性时程。
2.2风特性观测的仪器设备
风特性观测主要的仪器设备是风速记录观测仪器。随着传感、数据采集、存储、传输以及仪器制造等相关技术的不断发展，风速仪也出现了巨大的变化，先后出现了风压板、风杯风速仪、螺旋桨风速仪、超声风速仪和雷达测速仪等。这些不同的仪器由于传感原理的限制，有不同的准确度和精确度，所记录的脉动风特性也有很大的差别。为了充分利用各个风速仪的优点，以达到优点互补的目的，本课题组在实际风特性观测中同时使用超声风速仪和螺旋桨风速仪。