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。
第3章 基于实测数据的台风特性分析..................... 28-74
3.1 引言..................... 28
3.2 台风数据的背景资料 ..................... 28-32
3.3 数据预处理..................... 32-36
3.3.1 数据预处理方法 .....................33-34
3.3.2 实测数据预处理 .....................34-36
3.4 平均风速及风向..................... 36-42
3.5 湍流强度 .....................42-45
3.5.1 湍流强度定义及算法..................... 42
3.5.2 实测数据湍流强度分析..................... 42-45
3.6 湍流积分长度 .....................45-60
3.7 脉动风速谱..................... 60-72
3.8 本章小结..................... 72-74
第4章 基于实测数据的脉动风速谱拟合..................... 74-82
4.1 引言..................... 74
4.2 脉动风速功率谱拟合原理 .....................74-75
4.3 基于实测数据脉动风速谱拟合..................... 75-81
结论
台风一种具有巨大破坏性的天气系统，是强灾害性天气之一，它的驱动因素和运动特征与常态风有很大差别，所引起的风效应也与常态风不一样。本文基于实测记录的台风数据，分析了台风平均风速风向、湍流强度、湍流积分长度和脉动风速谱等风特性，得到了以下主要结论:
(1)论文作者在城市中心的超高层建筑结构顶部以及沿海岸的近台风登陆点设置了台风要素观测记录设备，可以长时间观测记录风要素，为本文的进一步研究积累了数据;
(2)典型强台风“Damrye”过程记录数据的分析结果发现，平均风攻角由台风接近观测点过程中的负攻角转变为台风远离观测点过程中的正攻角，该风攻角对于大跨度空间结构和大跨度桥梁结构的抗风是非常不利的。
(3)十分钟持时的纵向湍流强度在0.132-0.230之间(对应平均风速大于10m/S)，大于一般常态风的相应建议值，湍流强度随着平均风速的增大而减小规律十分明显;十分钟的横向湍流强度在0.085-0.219之间(对应平均风速大于10m/s)。
(4)本文提出的改进自相关函数法的计算结果比较稳定;利用改进自相关函数法计算得到各台风过程的纵向湍流积分长度平均值在102-249m之间，变异系数(一个台风过程中)在0.302-0.531之间，计算得到的横向湍流积分长度在65-116m之间，变异系数在0.248-0.857之间;湍流积分长度具有随平均风速的增大而增大的趋势。
(5)实测纵向脉动风速谱与vonKamrna谱吻合较好;而且基于各向同性理论由VonKarmna纵向谱推导出的横向和竖向脉动风速谱也与实测谱吻合较好，说明各向同性湍流理论在台风风场中是适用的。
(6)基于Kolmgorove理论，利用脉动风功率谱的统一形式推导了vonKamrna谱和Dvaneport谱的对应形式，利用同一地点的三个台风过程数据，对两种谱形式进行了参数拟合;拟合之后的VonKarmna谱和Dvaneport谱与实测谱均吻合较好，吻合程度远超过标准的 VonKarmna谱和Dvaneport谱，说明该两种谱形式都适合于描述台风的脉动风速谱，只是对应的参数与标准谱不一样;不同台风过程所得到的拟合参数差异较大，因此，如需要归纳得到通用的台风拟合谱，还需要大量的数据积累。
参考文献
[1] Patrick HT. Financial development and economic growth inhttp://www.e-lunwen.com/tmgclw/ undeveloped countries [J].Economic Development and Cultural Change, 1966, 34(4): 174-189
[2] Stiglitz J E. Credit Markets and the Control of Capital [M]. Journal of Money Credit andBanking, 1985, (17): 133-152.[
[3] Ronald Mckinnon. The Order of Economic Liberalization: Financial Control in the Transitionto a Market Economy [M]. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1993.
[4] Levine, Ross. “Financial Development and Economic Growth: Views and Agenda” [J]. Journalof Economic Literature.1996, (6): 655-726.
[5] Amel.D.F. Determinants of Profits of Local Markets Review of Industrial Organization [J].European Review of Economic History, 1997, (12): 59-78.
[6] Boot AW, Thakor AV. Financial System Architecture [J]. Review of Financial Studies, 1997,(10): 693-733.
[7] Wenger E, Kaserer C. The German System of Corporate Governance: A Model Which ShouldNot Be Imitated In Black [M]. New York: North-Holland Press, 1998: 41-78.
[8] Levine, Ross. The Legal Environment, Banks, and Long-run Economic Growth [J]. Journal ofMoney, 1998, (30): 596-620.
[9] Boyd John H, Smith Braced. The evolution of debt and equity markets in economicdevelopment [J]. Journal of Economic Theory, 1998, (12): 19-60.
[10] Rajan RG. Financial Systems, Industrial Structure and Growth [D]. University of Chicago,1999: 131-135.
【土木工程相关之近地台风性能观测分析】相关文章：
相关MIMO最优合并系统性能分析03-07
解相关多用户检测性能仿真03-07
高性能iSCSI设计分析03-03
客车动力性能模拟计算分析03-07
m序列与gold序列性能分析比较03-07
基于Markov链的停-等ARQ性能分析03-07
调度算法等对NCS性能影响的仿真与分析03-07
CBD现象的启示与高层建筑的近地空间03-21
卦象之概念分析03-24