土木工程相关的台风近地风场实测研究

采用三维超声风速仪现场观测了台风"珍珠"和"派比安"的登陆过程,分析了两次台风过程的平均风速、风向变化历程以及台风脉动风速的概率密度分布,进一步研究了台风湍流强度、湍流积分尺度与阵风因子.结果表明:在低风速情况下,台风脉动风速接近正态分布,湍流强度与阵风因子存在近似线性关系,可用相关经验公式进行拟合。两次台风过程实测风速谱均可与某种理论谱模型较好吻合,通过拟合可以降低实测谱与理论谱的偏差。     

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。     

高层建筑实测风场环境的非平稳性分析研究

首先采用应用较广泛的矢量分解法,对超高层结构西塔顶部的实测数据进行处理,总结了矢量分解法的三个方面的局限。然后针对这些局限且为获取较准确的脉动风速时程,考虑了风速非平稳特性,给出了获取螺旋桨风速仪的正交两方向的脉动风速时程的平稳模型与非平稳模型的数值表达公式。依据上述两种风速模型,进一步从湍流强度、阵风因子、概率密度分布和风速谱等指标进行对比分析,结果表明非平稳风速模型能更精确地描述高层建筑顶部实测风速数据的真实状态。     

大气边界层风速竖向相干函数实验研究

采用尖劈、格栅和粗糙元组合的被动湍流发生装置在TJ-2风洞中模拟了大气边界层流场,测量了模拟流场的平均风速剖面,湍流度剖面,湍流积分尺度和脉动风速功率谱等风场特性参数,重点分析了风速的竖向空间相干曲线。针对风速竖向空间相干曲线存在低频“掉头”的现象,给出了修正的指数衰减函数来进行拟合,完善了用传统的简化指数衰减函数来进行拟合时在低频处的不足,结果表明：笔者给出的风速竖向空间相干函数拟合效果更好。     

不同大气稳定度下台风"莫拉克"(2009)的近地风场特性

为了探究台风影响期间不同大气稳定度条件对近地层风场特性的影响,基于2009年台风"莫拉克"移动路径上的三座测风塔测得的高频三维风速时程,分析了台风影响期间中性、稳定、不稳定三种大气层结状况的分布频率,以及不同稳定度条件下近地层平均风场特性(平均风速和风向)和脉动风场特性(湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速谱).研究结果表明,台风外围雨带区影响期间非中性层结发生概率约44％;在非中性层结影响下,平均风速出现频率最高的区间(10～12?m/s,14～16?m/s)不同于中性层结(12～14?m/s),且湍流强度最高频数分布较为集中(8％～10％);验证von-Karman谱描述不同大气稳定度下台风脉动风速谱的适用性,发现该经验谱对中性层结下的风速谱刻画较好,对非中性层结下的风速谱存在低频段高估、高频段低估谱能量的现象.进行工程结构抗风设计时,需注意非中性大气层结对风速、湍流强度、脉动风速谱等与结构风荷载确定密切相关的参数的影响.     

傍山地区的强风场特性实测研究

介绍了某傍山地区的强风现场测量研究。采用较高频响的风速风向计与实时数据检测处理系统测得了该地区的风特性，并对一次冬季强风记录进行了分析研究，给出了反映强风脉动特性的两个重要参数-湍流度和阵风系数的关系，指出脉动风速的概率分布直接影响了二者比值大小。此外，通过实测结果与邻近气象站的同期记录比较，发现二者的相关性很差，在整个强风过程中，该地区的最大瞬时风速和平均风速都远远高于气象站的记录，表明傍山地区局部风场有很大的特殊性。     

苏通大桥实测强风湍流积分尺度的对比研究

湍流积分尺度是体现风特性的重要指标之一,而现场实测是获得工程结构准确可靠的风特性的唯一有效手段.本文利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)采集的风特性数据库,选取该桥址区2008年夏季的“凤凰”、“海鸥”台风及冬季北风为样本进行强风特性分析.其中采用4种常用计算方法重点研究了桥址区强风的积分尺度,并对比了不同方法的计算结果以验证其可靠性.最后分析了湍流积分尺度随高度和平均风速等的变化规律.结果表明:湍流积分尺度与风速之间无确定关系,塔顶湍流积分尺度较跨中大.分析结果充实了苏通大桥风特性数据库,可为湍流积分尺度的分析计算提供参考,并为苏通大桥的强风环境和抗风评估提供了实测依据.     

山地风场平均及脉动风速特性试验研究

山地风场具有与平地风场截然不同的特性,为了研究平均和脉动风速在山地中的空间分布规律,进行了10个不同坡度和高度h的三维轴对称山体模型的边界层风洞试验。试验结果显示:平均风速在山顶达到最大加速,在背风面山脚达到最大减速;山体坡度越大,山顶加速效应越大,背风面山脚减速越大。脉动风速均方根值在山体迎风面和山顶均与平地风场接近,在背风面山脚增加最大,在其后5h位置,恢复与平地风场相同。根据试验结果提出了新的山地风场平均及脉动风速分布模型。     

台风非平稳湍流特性研究进展与思考

台风湍流特性研究一直是结构风工程领域的重点研究方向之一.与传统良态风存在明显差异,台风是具有突出非平稳特性的特异风场,其湍流特性十分复杂,难以采用良态风场参数对其进行表征.基于国内外长期现场实测与分析所取得的成果,本文对台风非平稳湍流特性的研究进展进行综述,归纳总结台风非平稳湍流特性的分析方法及参数模型.首先,回顾了平稳与非平稳风速模型,对比分析二者之间的特点与区别,并介绍时变平均风速的有效确定方法.随后,针对湍流典型统计特征参数,从湍流强度、湍流积分尺度、演变谱密度、时变相干函数等方面阐述台风非平稳湍流特性的研究进展,并重点讨论当前面临的困难与挑战.最后,对台风非平稳湍流特性有待进一步深入研究的问题进行展望.     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

非高斯风场作用下桥梁抖振响应研究

为研究非高斯风场作用下桥梁结构的抖振响应特性，以太洪长江大桥为例，基于Hermite多项式模型，模拟了非高斯脉动风场时程，计算了不同平均风速下不同非高斯特性脉动风场的抖振响应。结果表明：非高斯风场作用下结构响应的幅值和均方根值均比高斯风场更大，非高斯特性越强，均方根值越大；随着平均风速的增加，风场峰度对结构响应均方根的影响逐渐明显。因此，对于非高斯风场，高斯过程假定低估了实际的响应情况。此外，不同非高斯特性脉动风场作用下，结构响应的偏度和峰度均趋近高斯过程的结果。     

润扬大桥悬索桥桥址风环境的长期监测与分析

基于结构健康监测系统记录的2006年桥址日常持续风环境数据,开展了润扬大桥悬索桥桥址平均风特性及湍流脉动特性的分析研究,给出了湍流度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风功率谱密度函数的推荐值或公式,进一步研究了平均风速与上述湍流特征参数的相关性以及湍流特征参数之间的相互关系.分析结果表明:①湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测统计值均高于规范推荐值;②纵向风谱拟合模型与Simiu谱较为接近,但横向风谱拟合模型则与之相差较多,并且都存在拟合模型中湍流动能往高频偏移的现象;③湍流度、阵风因子和湍流积分尺度之间存在较为明显的相关性,并且与平均风速也存在一定的相关性.     

温州地区不同时距下近地台风特性观测研究

基于2008年影响温州地区的台风海鸥、凤凰和蔷薇的实测风场资料,分析了不同平均时距下近地台风的湍流特性(如平均风速、风向、湍流度和阵风因子)。实测结果表明:同一地点不同台风的平均风向角可能相差很大,不同时距最大平均风速不是同步出现;随着平均风速的增大,湍流度和阵风因子有逐渐减小的趋势;当地湍流度实测结果明显大于已有平坦市郊区地形的实测值和日本风荷载规范经验公式计算值;不同平均时距的横风向与顺风向阵风因子的比值变化较大;1m in或3 s平均时距值可较好地反映出台风风速、风向、湍流度和阵风因子的脉动性和变化规律。     

大跨度桥梁斜风作用下抖振响应现场实测及风洞试验研究

基于现场实测和全桥气弹模型风洞实验,对大跨度桥梁在斜风作用下的抖振响应进行了研究。在西堠门大桥上安装了GPS位移测量系统和加速度传感器,对桥梁在施工和成桥阶段的风速、风压和抖振响应进行了同步现场实测。然后设计1∶124的全桥气弹模型,进行了该桥在正交风与斜向风作用下的抖振响应风洞试验。对现场实测数据和全桥气弹模型风洞试验结果进行了对比分析,实测数据与风洞实验结果吻合较好。分析结果表明大跨度桥梁在斜风作用下的抖振响应幅值可能达到甚至超过同等风速正交风作用下的响应值。因此,大跨度桥梁抖振响应分析中考虑斜风的作用是非常有必要的。通过对本桥在斜风作用下抖振响应的现场实测和全桥风洞试验结果的研究,得出了一些关于斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的有益结论。     

城市地貌高空台风特性及湍流积分尺度的研究

基于2014年第10号台风"麦德姆"在城市地貌的高空实测风场资料,共选取五个时距(30s、1min、5min、10min和20min)进行分析,得到平均风速、风向、湍流度、阵风因子和脉动风速谱等强风特性;然后采用两种基于Taylor假定的方法来计算湍流积分尺度,分别从平均风速、湍流度和阵风因子等要素来探讨不同时距对湍流积分尺度的影响。分析结果表明:当平均时距为5min时,计算得到的平均风速较大、湍流度和阵风因子均较小,对应的方差与变异系数也较小,根据其计算得到的湍流积分尺度分布最为集中,其中又以自相关函数积分法得到的方差最小,最为合理。     

建筑风环境风洞试验中风速探头的研制与应用

研制简易风速探头并通过风洞试验研究探头的气动力特性,为探头的推广应用奠定基础。基于Irwin提出的风速探头原理,研制了用于建筑风环境风洞试验的简易风速探头,对风速探头压力测试结果的影响因素进行了试验分析,并对探头进行了标定,给出了不同高度风速探头的标定系数,同时对湍流场中不同风速下的测试精度和探头间干扰效应对测试精度的影响作了试验分析,最后对一典型小区进行了风环境测试分析。研究结果表明：所研制的简易风速探头对平均风速有较高的测试精度,能够用于建筑风环境风洞试验。     

考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析

大跨度桥梁频域及时域抖振分析中通常仅考虑主梁的脉动风效应.本文根据大跨度斜拉桥结构形式及振动型态的特点,结合自然风的相关特性,对大跨度斜拉桥三维脉动风场进行简化,从而基于谱解法同时模拟了主梁及桥塔的脉动风速场.基于模拟的随机风场对结构风荷载进行时域化,进而建立系统运动控制方程.由于自激力的存在,结构的运动控制方程为非线性方程,本文提出了一种迭代方法来考虑由自激力引起的运动方程的非线性.为考察桥塔脉动风速场的影响,分别进行了考虑桥塔风场和不考虑桥塔风场两种情况下桥梁抖振响应的分析,两种方法的分析结果表明,考虑桥塔风场将显著增大桥塔横桥向抖振响应.     

近岸海域海面风速分布的预测方法研究

针对近岸海上风速观测比较困难,应用近岸海域流速垂直分布的理论模式和采用枚举法结合最小二乘法,通过实测流速分离,提出了一种新的近岸海面分速分布预测方法。并首先对实验室风生流实验和长江口北支河段的风速进行了检验性计算,获得了比较满意的结果。然后应用于长江口南支河段及口外实测流速的分离,实测流速分离后,不仅可获得海面风流速,用于估算作用于海表面10m的风速数据,而且还可从中得到海表面的摩擦风速。据此,结合对数风速分布可以对海面低空的风速分布进行预测。初步研究表明,此方法原理简单、过程合理、结果可信,是一种适用于现场资料分析计算的有效方法。     

变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化

开展了可压缩流中湍流度测量技术的优化研究，以满足对试验数据高精度评估的需求。在变热线过热比湍流度测量方法推导过程中，忽略了压力脉动项以简化湍流度求解过程。为更加准确评估高速风洞流场湍流度，引入了压力脉动项，以恒温热线风速仪响应关系式为基础，从理论上对可压缩流中湍流度的求解方法进行了优化。在马赫数0.3~0.7进行了湍流度测量试验，并分别利用优化前后的湍流度求解方法对试验数据进行了处理。结果表明两种求解方法所得的湍流度结果量值相近，但优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果随马赫数的变化趋势更加符合客观物理规律。利用蒙特卡洛模拟方法对湍流度的不确定度进行了求解，不确定度量值远小于湍流度量值，表明优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果基本能够代表真实值。试验结果证明了优化后湍流度测量方法的正确性及应用恒温热线风速仪对高速风洞流场湍流度进行测量的可行性。     

非定常风沙流中风速脉动对沙粒相瞬时浓度影响的实验研究

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像。根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量C。获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化。实验结果表明,风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的,其变化频率至少在100Hz以上。风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应,大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关,粒径越小,风速脉动作用越大。当粒径≤160μm时,风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动,二者高度相关。当粒径较大的时候,如300～500μm,只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化,研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义。