龍　強(qiáng)，王　暢，王　鋒,2，項(xiàng)青霞，蔣琳琳

(1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000；

3.冀東油田志達(dá)公司，河北 唐山 063020)

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一種港口塔吊水平風(fēng)荷載預(yù)報(bào)模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)*

龍強(qiáng)1，王暢1，王鋒1,2，項(xiàng)青霞1，蔣琳琳3

(1.曹妃甸工業(yè)區(qū)氣象局，河北 唐山 063015；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000；

3.冀東油田志達(dá)公司，河北 唐山 063020)

摘要：利用2012-06—2013-05渤海灣北岸曹妃甸港100 m風(fēng)能塔風(fēng)觀測(cè)資料，研究了空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0的月變化特征及其和地面10 m風(fēng)速之間的關(guān)系，并針對(duì)港口安全運(yùn)營(yíng)調(diào)度精細(xì)化氣象服務(wù)保障需求，設(shè)計(jì)了一種港口塔吊定點(diǎn)、定量水平風(fēng)荷載的預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明：受海陸風(fēng)和周?chē)h(huán)境的季節(jié)性變化影響，渤海灣北岸z0具有明顯的月變化特征；通過(guò)擬合確立了z0和地面10 m處10 min平均風(fēng)速在海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)兩個(gè)方位上的粗糙度方程，梯度風(fēng)速計(jì)算試驗(yàn)顯示方程穩(wěn)定可用；基于以上結(jié)論建立了定點(diǎn)、定量風(fēng)荷載預(yù)報(bào)模型，預(yù)報(bào)試驗(yàn)和程序開(kāi)發(fā)結(jié)果表明，基于上述結(jié)論所建立的港口塔吊水平風(fēng)荷載計(jì)算模型正確可行，更適用于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度；梯度風(fēng)；風(fēng)荷載；預(yù)報(bào)模型

除了地震作用的水平力外，高層構(gòu)筑物主要的側(cè)向荷載是風(fēng)荷載，在荷載組合時(shí)往往起控制作用。風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素之一，高層構(gòu)筑物在水平風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)引起了研究人員和工程師越來(lái)越多的重視[1-2]。對(duì)于垂直于建(構(gòu))筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算，GB 50009—2001 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》有相關(guān)說(shuō)明和規(guī)定[3]。目前對(duì)風(fēng)荷載的相關(guān)技術(shù)規(guī)定和科學(xué)研究大多停留在設(shè)計(jì)階段，僅作工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估使用[4-7]。然而，工程項(xiàng)目落地并投入使用后，構(gòu)筑物在日常的運(yùn)營(yíng)作業(yè)中所面臨的情況要復(fù)雜一些[8-9]，不同地區(qū)和下墊面條件下的相關(guān)指標(biāo)和參數(shù)不一，將參數(shù)統(tǒng)一或歸類(lèi)所獲得的風(fēng)荷載閾值并不能滿足安全管理人員對(duì)了解構(gòu)筑物承受實(shí)時(shí)風(fēng)荷載情況的需求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)風(fēng)向、風(fēng)速條件下構(gòu)筑物所承受風(fēng)荷載的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)。因此，設(shè)計(jì)一種便捷可用的構(gòu)筑物實(shí)時(shí)水平風(fēng)荷載計(jì)算模型對(duì)作業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)保障具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以塔吊這一港口重要的構(gòu)筑物作為研究對(duì)象，以渤海灣北岸曹妃甸港為設(shè)計(jì)案例，通過(guò)分析計(jì)算風(fēng)能塔觀測(cè)資料，獲取空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度特征，推算垂直梯度風(fēng)，并基于伯努利方程，對(duì)接氣象數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一種港口塔吊水平風(fēng)荷載的實(shí)時(shí)計(jì)算和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)模型。

1資料與方法

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自建在渤海灣北岸的100 m風(fēng)能塔，其位于一個(gè)三面環(huán)海的半島上，共有5層觀測(cè)平臺(tái)，分別為100，70，50，30和10 m。風(fēng)能塔所在的位置如圖1所示。按照方向劃分，135°～315°為海-陸風(fēng)方向(即風(fēng)由海面吹向陸地)，0°～134°和316°～360°為陸-海風(fēng)向(即風(fēng)由陸地吹向海面)。

選取了2012-06-2013-05共計(jì)12個(gè)月(4個(gè)季節(jié))的風(fēng)速、風(fēng)向等觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h。

圖1　渤海灣北岸相關(guān)觀測(cè)站點(diǎn)的分布Fig.1　Locations of the related observation stations on the northern coast of the Bohai Bay

1.1空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0

計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度常用的方法有對(duì)數(shù)廓線擬合法、阻力法、質(zhì)量守恒法、壓力中心法以及無(wú)因次化風(fēng)速法。文中主要采用的是阻力法，其公式為

(1)

式中，σu為常數(shù)；U(zn)為高度zn處的風(fēng)速；κ是卡門(mén)常數(shù)，一般取0.4；Cu也為常數(shù)，和測(cè)風(fēng)儀器有關(guān)；zn具有長(zhǎng)度量綱。上式適用于強(qiáng)風(fēng)狀況(U(z)>4.0 m/s)。根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際情況和所采用的方法要求，需要對(duì)測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

采用不同高度處的風(fēng)速帶入上式，做商即可消去相關(guān)常數(shù)，獲得空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0的值。

(2)

式中，zn為上層某一高度，U(zn)即為該高度處的風(fēng)速。由于氣象學(xué)地面風(fēng)觀測(cè)是位于10 m高度處，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品也是10 m高度處風(fēng)速，結(jié)合研究應(yīng)用需求，此次確定z為10 m，U(z)即為10 m高度處的風(fēng)速。

為進(jìn)一步分析空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨季節(jié)、風(fēng)向和下墊面的變化及不同計(jì)算方法的適用情況，在z0特征分析部分增加了對(duì)數(shù)廓線擬合計(jì)算方法。對(duì)數(shù)廓線擬合法需要測(cè)得3個(gè)或3個(gè)以上高度的風(fēng)速，用最小二乘回歸所得的風(fēng)速資料為

U(zn)=a+blnzn。

(3)

按照粗糙度的定義，令式(3)中U(zn)=0即可得空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0

(4)

對(duì)數(shù)廓線擬合法更適用于中性大氣層結(jié)條件，風(fēng)速符合對(duì)數(shù)分布，對(duì)所測(cè)的風(fēng)速廓線質(zhì)量要求較高。

1.2基于z0的港口塔吊水平風(fēng)荷載計(jì)算模型

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面單位面積所受到的風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程可得出風(fēng)-壓關(guān)系。[10]邊界層內(nèi)港口塔吊水平風(fēng)荷載的實(shí)時(shí)計(jì)算可忽略近地層空氣密度的變化影響，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式[11]為

(5)

式中，wp為風(fēng)壓。根據(jù)式(3)則可以計(jì)算出zn高度處ds面積的風(fēng)荷載F(zn)：

F(zn)=wp·ds=U(zn)2·ds/1 600，

(6)

將塔吊機(jī)身視作矩形平面，便有ds=L·dzn，L為塔吊機(jī)身的寬。對(duì)式(4)采用垂直高度上的積分即可得塔吊水平風(fēng)荷載Fc:

(7)

式中，H為塔吊的高度，θ為風(fēng)向和塔吊平面的夾角(銳角)。

由式(1)和(7)可知，實(shí)現(xiàn)垂直塔臂水平風(fēng)荷載Fc的計(jì)算，主要是研究分析空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0的特征和計(jì)算方法。

2z0的特征分析

2.1z0的月變化特征

原始資料經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制和篩選(U(z)>4.0 m/s)之后，通過(guò)式(2)和(3)得到空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0隨月份的變化關(guān)系。由圖2可知：阻力法和對(duì)數(shù)廓線擬合法的計(jì)算結(jié)果整體相差不大，隨季節(jié)的變化趨勢(shì)相同，但后者的計(jì)算值在夏季(6，7和8月)比前者偏小，在冬季(12，1和2月)則明顯相反，這是由于冬季層結(jié)整體較夏季穩(wěn)定，對(duì)數(shù)廓線擬合法更適用于穩(wěn)定層結(jié)條件；海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)條件下z0均具有明顯的季節(jié)性特征，春、夏季(3，4，5月和6，7，8月)的z0值明顯偏大，以6月的值最大，秋、冬季節(jié)(9，10，11月和12，1，2月)的z0值偏小，以12月的值最小。海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)的春季空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的平均值分別是1.12 和0.24 m(阻力法計(jì)算結(jié)果，下同)，夏季的平均值分別是0.79和0.22 m，秋季的平均值均為0.09 m，冬季的平均值是0.12和0.11 m，可見(jiàn)海-陸風(fēng)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度整體較陸-海風(fēng)的偏大，這與風(fēng)向劃分的實(shí)際是相符的?？諝鈩?dòng)力學(xué)粗糙度出現(xiàn)這種季節(jié)性特征的主要原因是受周?chē)h(huán)境的影響，對(duì)陸-海風(fēng)而言，春、夏季的低矮植被相對(duì)茂盛，粗糙度較大；海-陸風(fēng)條件下風(fēng)從海面吹來(lái)，不同季節(jié)風(fēng)速情況相差顯著[12]，使得空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度也有季節(jié)性差別。

圖2　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0隨月份的變化Fig.2　The monthly variations of aerodynamic roughness z0 under the sea-land and the land-sea breeze conditions

2.2z0與風(fēng)速的變化關(guān)系

利用式(2)計(jì)算得到在海-陸風(fēng)條件下的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0的平均值是0.59 m，陸-海風(fēng)條件下的平均值是0.20 m。為了更加準(zhǔn)確地獲取不同風(fēng)速下的粗糙度值，分析了10 m處風(fēng)速和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的關(guān)系，并根據(jù)數(shù)值分布特征對(duì)粗糙度值和地面10 min平均風(fēng)速做了公式擬合，如圖3所示。

由圖3可知，z0并不是一固定常數(shù)，且與10 m風(fēng)速的變化也并非是線性關(guān)系。這是因?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)粗糙度在偏小的情況下，風(fēng)速便增加，近地層空氣局部流動(dòng)脈動(dòng)便增強(qiáng)，風(fēng)動(dòng)量能更低地到達(dá)地面，使阻力系數(shù)減小，流體本身受到的阻力也就減小。所以在確定空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度時(shí)，不能僅僅考慮下墊面的性質(zhì)，還須考慮風(fēng)速和流場(chǎng)的性質(zhì)。同樣，z0也不僅僅反映了下墊面的粗糙特性，也是反映下墊面和近地表流場(chǎng)相互作用的物理量。擬合結(jié)果顯示，無(wú)論是海-陸風(fēng)還是陸-海風(fēng)，z0與10 m風(fēng)速之間存在著良好的指數(shù)關(guān)系。

圖3　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下z0與風(fēng)速間的關(guān)系Fig.3　Relationship between z0 and wind speed under the sea-land and the land-sea breeze conditions

2.3梯度風(fēng)的計(jì)算及檢驗(yàn)

在獲取了空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0值之后，即可根據(jù)式(2)計(jì)算垂直某一層的風(fēng)速，即

(8)

對(duì)于z0值的確定，大多采用多樣本計(jì)算取平均值，忽略不同風(fēng)速條件下的不同。但我們認(rèn)為直接采用空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度平均值計(jì)算梯度風(fēng)速和采用z0擬合公式所計(jì)算的梯度風(fēng)速在準(zhǔn)確率上應(yīng)該有所區(qū)別。海-陸風(fēng)條件下1 946個(gè)個(gè)例、陸-海風(fēng)條件下2 009個(gè)個(gè)例的計(jì)算結(jié)果表明：整體而言，采用粗糙度方程所計(jì)算的梯度風(fēng)速更接近于實(shí)況，平均誤差明顯偏小。圖4是隨機(jī)挑取的100個(gè)個(gè)例檢驗(yàn)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，通過(guò)粗糙度公式所計(jì)算的梯度風(fēng)速優(yōu)于采用z0平均值計(jì)算的結(jié)果。因此，文中所得的粗糙度和風(fēng)速之間的關(guān)系能夠較好地體現(xiàn)本地空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度特征，更適用于計(jì)算本地的梯度風(fēng)速。

圖4　海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下的個(gè)例檢驗(yàn)計(jì)算Fig.4　Case of test calculation under the sea-land and the land-sea breeze conditions

3基于粗糙度z0的風(fēng)荷載計(jì)算模型

港口塔吊水平風(fēng)荷載的實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)計(jì)算模型的基本框架如圖5所示，通過(guò)10 m高度處的風(fēng)觀測(cè)實(shí)況值或數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品(NWP)10 min平均風(fēng)速預(yù)報(bào)值，利用風(fēng)向劃分為海-陸風(fēng)或陸-海風(fēng)，代入指數(shù)擬合公式獲得z0值；將z0代入式(8)便可求得zn高度處的風(fēng)速，通過(guò)式(7)即可計(jì)算出塔吊垂直塔臂的水平風(fēng)荷載Fc的值。

圖5　港口塔吊風(fēng)荷載計(jì)算模型框架Fig.5　Framework of wind load computation model for a port crane

綜上所述，由式(1)、(7)及海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)的z0擬合公式便可得水平風(fēng)荷載Fc。

海-陸風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(9)

陸-海風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載:

(10)

也可通過(guò)式(7)、(8)及海-陸風(fēng)、陸-海風(fēng)的z0擬合公式得到消減相關(guān)參數(shù)的Fc。

海-陸風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(11)

陸-海風(fēng)條件下的水平風(fēng)荷載：

(12)

由式(11)、(12)可以看到，水平風(fēng)荷載Fc的計(jì)算最終變?yōu)殛P(guān)于zn較為簡(jiǎn)單的積分，即：

(13)

基于地面10 m風(fēng)速實(shí)況或風(fēng)速預(yù)報(bào)值，分別代入海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)條件下的粗糙度z0求積分值，即可計(jì)算塔吊的水平風(fēng)荷載。

在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，對(duì)接數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，自動(dòng)輸出塔吊水平風(fēng)荷載預(yù)報(bào)值，參照項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段所確定的風(fēng)荷載閾值，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)條件下的塔吊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提前做好作業(yè)安排。平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)框架如圖6所示。

圖6　程序設(shè)計(jì)框架圖Fig.6　Framework of the program design

為了評(píng)估模型的適用性，選取了2015-08的風(fēng)速實(shí)況進(jìn)行試驗(yàn)(預(yù)報(bào)效果取決于風(fēng)速的預(yù)報(bào)，原理同實(shí)況檢驗(yàn))。表1為渤海灣北岸曹妃甸港口南北方向上塔吊(偏東方向作業(yè)，垂直單臂起重機(jī))的水平風(fēng)荷載指標(biāo)，風(fēng)等級(jí)以平均風(fēng)速劃分。由表可知，通過(guò)該模型所得的風(fēng)險(xiǎn)警報(bào)指標(biāo)(停止作業(yè)指標(biāo)在警報(bào)指標(biāo)上增加1級(jí))和安全運(yùn)營(yíng)調(diào)度所設(shè)計(jì)的閾值基本一致，整體略偏小，這是由于在考慮塔吊截面時(shí)，忽略了塔機(jī)高度，將垂直單臂視作立方體所致。

表1　曹妃甸港口塔吊安全運(yùn)營(yíng)調(diào)度風(fēng)等級(jí)指標(biāo)

對(duì)于龍門(mén)吊、十字起重機(jī)等其他形式的塔吊，同樣適用于該方法，垂直方向的風(fēng)荷載仍然采用上述方法，水平方向上由于不存在梯度風(fēng)差異(水平塔臂的垂直高度較小，忽略垂直方向上風(fēng)速的不同)，可計(jì)算該高度處的梯度風(fēng)速，求得水平塔臂的風(fēng)荷載：

(14)

式中，h為水平塔臂所在的高度，U(h)可通過(guò)式(8)求得，Ss為水平塔臂的平面面積，為固定值。因此，十字起重機(jī)的風(fēng)荷載F=υ·(Fc+Fs)，υ為因鏤空所致的削減系數(shù)，為0～1；而龍門(mén)吊由于有2條垂直塔臂，整體的水平風(fēng)荷載F=2Fc+Fs。

4結(jié)論

1)受海陸風(fēng)和周?chē)h(huán)境的季節(jié)性變化影響，渤海灣北岸z0具有明顯的月變化特征，突出表現(xiàn)在春、夏季(3，4，5月和6，7，8月)的z0值明顯偏大，以6月的值最大，秋、冬季節(jié)(9，10，11月和12，1，2月)的z0值偏小，以12月的值最小。

2)通過(guò)擬合確立了z0和地面10 m處10 min平均風(fēng)速在海-陸風(fēng)和陸-海風(fēng)兩個(gè)方位上的粗糙度方程，二者之間存在較為穩(wěn)定的指數(shù)關(guān)系，梯度風(fēng)速計(jì)算試驗(yàn)顯示方程穩(wěn)定可用，采用方程計(jì)算比用平均值計(jì)算的梯度風(fēng)速效果更理想。

3)基于空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度所設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)況值的把握和對(duì)未來(lái)不同風(fēng)條件下構(gòu)筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該模型簡(jiǎn)單可用，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量值的預(yù)報(bào)，且便于程序開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)，個(gè)例計(jì)算試驗(yàn)表明該模型可以應(yīng)用于構(gòu)筑物安全運(yùn)營(yíng)調(diào)度的保障業(yè)務(wù)中，且適用于龍門(mén)吊、十字起重機(jī)等多種類(lèi)型的塔吊。

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Design and Implementation of Horizontal Wind Load Forecasting Model for Port Cranes

LONG Qiang1，WANG Chang1，WANG Feng1,2，XIANG Qing-xia1，JIANG Lin-lin3

(1.CaofeidianIndustrialDistrictMeteorologicalBureau, Tangshan 063015, China;

2.TangshanMeteorologicalBureau, Tangshan 063000, China;3.PetroChinaJidongOilfieldZhidaCompany, Tangshan 063200, China)

Abstract:The monthly changing characteristics of aerodynamic roughness z0 and the relationship between z0 and the average wind speed at 10 meters above the ground are investigated by using the wind data observed on a 100-meter-high wind energy tower located at the Caofeidian Port on the northern coast of the Bohai Bay from June 2012 to May 2013. The results have indicated that because of the influences of seasonal changes in land and sea breeze and surrounding environment the z0 on the northern coast of the Bohai Bay varies monthly and significantly. By using fitting methods, equations are built up between the z0 and the 10min average wind speed at 10 meters above the ground in the sea-land and the land-sea breeze directions. The gradient wind speed calculation tests have indicated that the above two equations are stable and practicable. Based on all the above conclusions, a fixed point and quantitative horizontal wind load forecasting model for port cranes is designed and established for the requirements of fine weather service support for safety operation dispatching of the port. The results from the tests of the forecasting model and the program developments have shown that the forecasting model thus established is correct, feasible and even more suitable for the risk forecasting service.

Key words:aerodynamic roughness； gradient wind； wind load； forecasting model

中圖分類(lèi)號(hào)：P732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.007

作者簡(jiǎn)介：龍強(qiáng)(1987-)，男，工程師，碩士，主要從事海洋預(yù)報(bào)方面研究.E-mail:q_loong@126.com(王燕編輯)

收稿日期：2015-09-30

文章編號(hào)：1002-3682(2016)01-0066-09

資助項(xiàng)目：中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目——黃渤海港口安全運(yùn)營(yíng)氣象服務(wù)技術(shù)集成與示范(CMAGJ2015M5)