实测下击暴流风场特性分析

2022-03-01陈超豪王子茹霍林生黄国庆

土木与环境工程学报 2022年1期

陈超豪，王子茹，霍林生，黄国庆

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；2. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

作为自然灾害的重要类型之一，风灾因其发生频率高、波及范围广、直接灾害和次生灾害严重，早已引起了风工程界的广泛关注。对于高层建筑、大跨结构以及高耸结构等风敏感性结构而言，风荷载往往是影响其安全性的关键因素，因而也是结构设计中必须充分考虑的。分析已有风灾事故可知，风荷载轻则引起工程结构的局部破坏，重则导致工程结构的整体倒塌，不仅会造成重大的经济损失，还往往伴随着人员伤亡。

下击暴流是多种强风灾害中的一类特殊气候现象，其发生区域涉及全球多个国家和地区，在亚洲、澳洲以及北美等地更是频繁发生。统计资料显示，仅澳大利亚、美国以及南非等地，“风气候”这一罪魁祸首引发的大量输电线塔破坏事故中，就有约80%是由下击暴流或龙卷风等极端风气候所致[1]。下击暴流大多产生于雷暴天气环境中，1978年，Fujita[2]首先给出了下击暴流的定义，即一种生成于地面或近地面附近并且极具突发性和破坏性的强下沉气流。2009年5月，美国达拉斯牛仔训练场馆因遭受下击暴流袭击而倒塌[3]。同年6月，下击暴流突袭江苏，镇江市的“5291江晋线”输电线塔突然倒伏，现场实测获得的下击暴流瞬时极值风速达到了33 m/s[4]。2016年9月，南澳大利亚遭遇连续下击暴流袭击，直接导致了23座输电线塔的倒塌破坏[5]。

可见，有效应对下击暴流灾害对工程结构的破坏，提出相应的抗风措施势在必行。为此，首先需要了解其风场特性。尽管下击暴流实测风速数据较难获得，但目前也有部分学者开展了针对下击暴流风场特性的相关研究。Chen等[6]提出了一种新的非平稳风速分析框架，并将该框架应用于两组下击暴流风速时间序列，重点分析了下击暴流的平均风速垂直廓线、紊流度垂直廓线、功率谱密度以及相关函数。Chen等[7]利用两组全尺度实测下击暴流时间序列，分析了下击暴流的横向尺度相关性。Orwig等[8]研究了下击暴流部分风场特性的时程变化及其随高度的变化关系。Lombardo等[9]基于实测风速数据，对近地面下击暴流的风场特性进行了识别与分析，并推荐了可用于下击暴流参数计算的风速时距取值。Shu等[10]基于香港6个气象站的6年风场资料，针对热带气旋、季风和下击暴流的阵风因子特性进行了研究。Su等[11]以两组全尺度下击暴流风速记录为例，对3种不同时间窗尺度的下击暴流风速时变均值的计算方法进行了比较，并提出了合理的计算方法和时间窗大小。以上关于下击暴流风场特性的研究工作大多是围绕风速模型以及部分风场特性展开，甚少涉及针对风场特性与平均风速的关系、各类风场特性之间的相关性分析，以及与大气边界层近地风(以下简称常态风)的风场特性的比较研究。

笔者基于实测风速数据，针对下击暴流的风场特性进行研究，对比分析了下击暴流与常态风的紊流度、紊流积分尺度和阵风因子3个风场特性参数。另外，考虑到相关性对工程结构风压分布的影响，详细分析了下击暴流不同风场特性之间的相关性，以期为下击暴流多发地区的工程结构抗风设计提供参考。

1 下击暴流风速数据采集

选取的下击暴流风速数据由美国德州理工大学(Texas Tech University, TTU)风工程实验室于2008年6月19日实测采集得到，采集地点位于距离卢博克市(Lubbock)以西15 km的里斯技术中心(Reese Technology Center, RTC)，采集现场为开阔地带。

数据采集现场布设了一座高200 m的塔架，如图1所示，在塔架0.9、2.4、4、10、116、158、200 m高度处分别安装了风速计，用于采集不同高度处的下击暴流风速数据[12]。风速计采用RM Young Gill 27005T U-V-W三向风速传感器，可用于测量3个正交方向的风速，数据采样频率为30 Hz。

图1 下击暴流风速计安装示意图

2 下击暴流实测风速数据的处理

2.1 风速数据的预处理

由于篇幅限制，仅选取图1中测点1和测点5采集到的水平方向下击暴流风速数据作为研究对象。为方便表述，将测点1和测点5对应的风速时程分别命名为风速样本A和风速样本B。此外，考虑到数据采集过程中风速仪响应带来的高频噪声的影响，基于实测风速数据处理中常用的数值平均法，将下击暴流风速数据的频率降低为2 Hz，得到如图2所示的风速时程。

图2 实测下击暴流风速时程

2.2 时变平均风速的提取

与常态风类似，下击暴流风速可以采用式(1)所示风速模型表征[13]。

(1)

采用滑移平均法[14]提取下击暴流实测风速的时变平均值，进而获得脉动成分。图3所示为下击暴流的时变平均风速(以下简称平均风速)和脉动风速提取结果。可以直观地看出，样本A和样本B的平均风速均较好地反映了实测下击暴流风速的变化趋势。

图3 下击暴流的平均风速和脉动风速

在得到下击暴流的脉动风速后，脉动风速的概率密度p(u)应接近高斯分布模型[15]

(2)

式中：σu为脉动风速的标准差。

为进一步验证平均风速提取结果的正确性，在得到样本A和样本B的脉动风速后，分别计算两个样本脉动风速的概率密度分布情况，并进行数值拟合，结果如图4所示。可以看出，样本A和样本B脉动风速的概率密度分布情况均与高斯分布模型吻合较好，从而验证了平均风速提取结果的正确性。

图4 脉动风速的概率密度

值得注意的是，数值拟合结果和理想的高斯分布模型存在一定的偏差，说明下击暴流的脉动风速并不是严格意义上的零均值平稳随机过程，这是由于下击暴流风速的瞬时突变性导致了其本身强烈的非平稳性。

3 风场特性分析方法

3.1 紊流度

风的脉动强弱程度可以用紊流度来表征，空间中任意一点的紊流度可以定义为一定平均时距内脉动风速的标准差与平均风速的比值，即[16]

(3)

式中：Iu为紊流度。

而对于常态风，任意高度z处的紊流度还可以按式(4)计算[16]。

Iu(z)=I10(z/10)-α

(4)

式中：α为地面粗糙度指数；I10为10 m高度处的名义紊流度。

3.2 紊流积分尺度

紊流积分尺度Lu是描述空间紊流中任意两点脉动风速相关性的重要参数，同时，该参数直接表征给定方向气流涡旋的平均尺度的大小。任意高度z处的紊流积分尺度可以定义为[16]

(5)

式中：Ru(τ)为高度z处脉动风速u(t)的自相关函数。

对于常态风，任意高度z处的紊流积分尺度可按式(6)计算[16]。

Lu(z)=100(z/30)0.5

(6)

3.3 阵风因子

阵风因子G是与结构在服役期内可能遭遇的最大风速(即极值风速)紧密相关的重要参数，其定义可以采用多种形式，笔者将其定义为[17]

(7)

对于常态风，阵风因子和紊流度之间满足关系[16]

G=1+gIu

(8)

式中：g为峰值因子，按规定一般取2.5。

4 下击暴流风场特性分析

由于下击暴流具有强烈的非平稳性，且下击暴流的持续时间通常较短，一般不超过600 s，因此，Holmes等[18]指出，传统的基于10 min或1 h时变平均的处理方法并不适用于下击暴流风场特性相关参数的计算。文献[9]指出，下击暴流相关参数计算的基本时距可以取60～240 s。结合所取下击暴流风速样本的时程情况，选取60 s作为下击暴流相关参数计算的基本时距。此外，在得到下击暴流的风场特性后，将其与常态风的风场特性参考值进行了比较。

4.1 紊流度

图5给出了两个下击暴流风速样本的紊流度时程，可以看出，样本A和样本B的紊流度在约0～1 500 s时段较为稳定，而在约1 500～3 000 s时段波动较大，这是由于两个风速样本在该时段的平均风速波动较大所致。

图5 下击暴流的紊流度

为了与常态风的风场特性进行比较，表1给出了下击暴流两个风速样本各风场特性的最大值、平均值和最小值，以及相同地貌下测点1和测点5对应高度处常态风风场特性的计算参考值。从表1的对比结果可知，样本A和样本B的紊流度最大值分别达到了0.302、0.251，均明显大于测点1和测点5所在高度处常态风的紊流度参考值0.201和0.097，说明下击暴流中的脉动成分多于常态风中的脉动成分，气流更加不稳定，更容易对结构造成威胁。

表1 风场特性对比

4.2 紊流积分尺度

图6给出了下击暴流的紊流积分尺度时程。可以看出，样本B的紊流积分尺度明显大于样本A的紊流积分尺度，这是由下击暴流竖向风剖面的性质所决定的。翟伟廉等[19]指出，与常态风风速沿高度单调增加不同的是，下击暴流的风速随高度的增加先增大后减小，且在约80 m高度附近取得最大值。测点1所处位置低，风速较小，下击暴流的紊流积分尺度较小。而测点5所在高度风速更大，由此产生的涡旋尺寸更大。同样地，从表1可知，样本A和样本B的紊流积分尺度最大值分别达到了118.45、450.6 m，均显著大于测点1和测点5所在高度处常态风的紊流积分尺度参考值17.321、196.638 m。如前面所述，紊流积分尺度表征了气流中涡旋平均尺度的大小，这意味着，与常态风相比，下击暴流会产生尺度更大的涡旋，这些涡旋更容易将结构包围，脉动风在结构各个部位所引起的动荷载更容易接近同步，从而威胁到结构的安全。尤其是测点5所在高度116 m处，紊流积分尺度很大，而这一高度是高层建筑和高耸结构经常触及到的，因此，在这类结构的抗风设计中，有必要针对下击暴流的威胁提出有效的应对措施。

图6 下击暴流的紊流积分尺度

4.3 阵风因子

在常态风和台风的风场特性分析中，阵风因子的计算时距一般取tg=3 s。针对下击暴流的瞬时特性，根据文献[8]中对计算时距的分析，取tg=1 s，即采用时距更短的1 s阵风因子。计算得到样本A和样本B的阵风因子时程，如图7所示。同样，由于样本A和样本B的平均风速在约1 500～3 000 s时段波动较大，导致该时段内的阵风因子也呈现较大的波动性，而在0～1 500 s时段则变化较小。

图7 下击暴流的阵风因子

表1的对比结果同样说明，相比常态风，下击暴流的阵风因子更大，尤其是样本B的最大阵风因子达到了1.743，远大于对应高度处常态风的阵风因子1.243。这表明，相对常态风而言，下击暴流容易产生更大的瞬时极值风速，这对高层建筑以及高耸结构的安全非常不利。此外，可以看到，样本B的最大阵风因子大于样本A的最大阵风因子，如前面所述，这也是由下击暴流竖向风剖面的性质所决定的，相比于测点1，测点5所在高度处容易产生更大的瞬时极值风速。

4.4 相关性分析

图8、图9分别为下击暴流的紊流度、紊流积分尺度与平均风速的关系。可以看出，两个风速样本的紊流度与平均风速之间都表现出了负相关性，平均风速的增大会促使紊流度减小；而紊流积分尺度与平均风速之间则呈现正相关性，平均风速的增大会使得紊流积分尺度也随之增大。

图8 紊流度与平均风速的相关性

图9 紊流积分尺度与平均风速的相关性

图10为下击暴流的紊流积分尺度与紊流度的关系。可以看出，紊流积分尺度和紊流度之间存在负相关性，即当紊流度增大时，紊流积分尺度减小，这与二者和平均风速的相关性分析结果吻合。

图10 紊流积分尺度与紊流度的相关性

通常认为下击暴流的阵风因子G和紊流度Iu之间存在着与台风风场特性类似的关系[10]，即

G=1+k1×Iuk2×ln(T/tg)

(9)

式中：T为平均风速计算时距；k1、k2为拟合参数。在台风风场特性分析中，Ishizaki[20]建议k1=0.5，k2=1.0；Cao等[21]建议k1=0.5，k2=1.15。

图11为下击暴流的阵风因子与紊流度之间的关系。对于样本A，k1=0.22、k2=0.7，对于样本B，k1=0.22、k2=0.53。可以看出，下击暴流的阵风因子和紊流度之间同样存在着正相关性，但二者并不是普通的线性关系。此外，其相关性和台风风场特性类似，但拟合参数k1和k2的取值略小于台风风场特性分析中的结果。

图11 阵风因子与紊流度的相关性

综合以上相关性分析结果可知，对低矮建筑而言，由于所处高度下击暴流风速较小，气流涡旋的尺度较小，但脉动成分却较多，因此，在该类结构的抗风设计中应重点关注脉动成分的影响。而对高层建筑和高耸结构而言，由于所处高度下击暴流风速较大，气流涡旋的尺度往往很大，因此，在该类结构的抗风设计中需要侧重考虑气流涡旋的威胁。最后，针对下击暴流极值风速可能造成的结构破坏，在各类结构的抗风设计中都必须严格考虑。