黃子逢， 顧　明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

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上海環(huán)球金融中心頂部臺風“燦鴻”風速實測

黃子逢， 顧明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

基于上海環(huán)球金融中心頂部(494 m)采集到的臺風“燦鴻”風速數據，對平均風速、湍流強度、陣風因子和峰值因子進行了分析.用廣義風速譜擬合的方法計算湍流積分尺度，運用擬合參數將風速譜與Von Karman譜進行對比.研究結果表明：10 min最大平均風速與1 h平均風速，3 s最大平均風速與10 min平均風速均有較好的線性關系；順風向和橫風向陣風因子與湍流強度之間都滿足線性關系；順風向和橫風向湍流積分尺度隨10 min平均風速的增加而增加；本次實測得到的風速譜與Von Karman譜有一定差距.

臺風“燦鴻”； 現場實測； 湍流積分尺度； 風速譜擬合

臺風是一種具有很強破壞力的災害性天氣系統(tǒng).對于超高層柔性結構，風荷載在總荷載中往往起控制作用.而建有大量200～600 m高層建筑、高聳結構的中國東南沿海地區(qū)是臺風登陸的多發(fā)區(qū).因此，與風荷載密切相關的風特性研究的重要性日益凸顯.風速現場實測是研究高層建筑風特性的重要方法，國外一些國家通過風速實測建立了本地區(qū)風特性數據庫，如挪威的Froya數據庫[1]；加拿大和英國的近海觀測數據庫等.美國Sparks、日本Kato和Ohukuma等近些年來進行的大規(guī)模觀測工作也得到了比較完整的分析結果[2].在中國，Li等[3]、An等[4]、Quan等[5]、Xu等[6]和顧明等[2,7]在香港地區(qū)和大陸沿海地區(qū)進行了臺風和良態(tài)風的高空實測研究工作.由于上海的緯度相對較高，到達上海的臺風數量較少，上海地區(qū)臺風高空實測數據比較稀缺，因此在上海地區(qū)進行臺風高空實測對了解中國東部高空風特性及擴充上海地區(qū)風速數據庫非常重要.

本文基于上海環(huán)球金融中心頂部(494 m)采集到的臺風“燦鴻”風速數據，對平均風速、湍流強度、陣風因子、峰值因子、湍流積分尺度和風速譜進行了詳細的分析.

1　臺風“燦鴻”

2015年6月30日，2015年第9號臺風“燦鴻”(英文名Chan-hom)在太平洋海面上生成.7月11日16:40，“燦鴻”以強臺風級別在浙江省舟山朱家尖登陸，隨后“燦鴻”沿著上海東部海面向北偏東方向移動，強度由強臺風逐漸減為臺風.圖1為臺風“燦鴻”路徑圖.

圖1　臺風“燦鴻”路徑

2　上海環(huán)球金融中心頂部風速實測概況

如圖2所示，上海環(huán)球金融中心位于上海陸家嘴區(qū)，其高度為494 m，地上共有101層.其周圍豎立著大量高層及超高層建筑，金茂大廈(420.5 m)位于環(huán)球西北部，上海中心(632 m)位于環(huán)球西南部，因此環(huán)球周邊地貌極其復雜.

a 全景

b 俯視圖

Fig.2Overview and aerial view of Shanghai World Financial Center

兩個Windmaster Pro超聲波風速儀(圖2，圖3)分別安裝于上海環(huán)球金融中心樓頂的東北角和西南角(高494 m)，其水平距離為71.6 m.風速儀三個分量U,V,W對應的方向分別為正北、正西、豎直向上，風向角以指向正北方向為0°，按俯視逆時針方向遞增，如圖3所示.風速量程為0.01～65 m·s-1，采樣頻率為10 Hz.由于環(huán)球建筑本身、擦窗機及頂部矮女兒墻會對氣流產生影響，根據CFD(computational fluid dynamics，計算流體動力學)模擬可知，當來流方向在以東北角和西南角連線為平分線22.5°范圍內可忽略上述影響，即東北端有效風向角為112.5°～157.5°，西南端有效風向角為292.5°～337.5°.

圖3　風速儀及其U,V軸定義

Fig.3WindMaster Pro ultrasonic anemometer and its definition ofU,Vaxes

3　臺風“燦鴻”風特性分析

本文選取2015年7月10日18:30至2015年7月12日15:30共45 h的風速時程作為分析樣本.由于風速豎向分量對高層建筑影響較小，本文僅對水平風速進行分析.風速儀U,V方向對應的風速分量分別為U(t),V(t).西南端10 min平均風向角不在有效范圍內，本文只對東北端的數據進行分析.

3.1平均風速和平均風向角

(1)

順風向和橫風向脈動風速分量u(t),v(t)的計算公式為

(2)

圖4和圖5為環(huán)球頂部東北端順風向10 min平均風速和10 min平均風向角變化情況.由圖4可知，東北端10 min平均風速由16.3 m·s-1開始逐漸增加，最大風速達到26.35 m·s-1.平均風速在25 m·s-1左右持續(xù)了7 h，隨后逐漸減小，最終減小到6 m·s-1.由圖5可知，東北端10 min平均風向角在前26 h內穩(wěn)定在120°左右，然后隨著臺風向北移動，風向角逐漸增加，最后穩(wěn)定在260°左右.

圖4　10 min平均風速

圖5　10 min平均風向角

假定本次臺風平均風速剖面滿足指數率，其公式為

(3)

式中:HG為梯度風高度;UG為梯度風速;α為粗糙指數.由《建筑結構荷載規(guī)范》[8]可知，B類地貌中HG取為350 m，α取為0.15;D類地貌中HG取為550 m，α取為0.3.

將環(huán)球金融中心所在的陸家嘴地區(qū)取為D類地貌，實測得到的臺風最大10 min平均風速26.35 m·s-1作為環(huán)球頂部494 m的10 min平均風速.根據梯度風速不隨地貌改變這一條件，由式(3)可計算得本次臺風作用下，上海地區(qū)B類地貌，10 m高度最大10 min基本風速v10為15.96 m·s-1，對應的基本風壓為ω=0.5ρv102=0.5×1.25×15.962/1 000=0.159 kPa，ρ為空氣密度.假定基本風壓滿足極值I型分布，根據《建筑結構荷載規(guī)范》[8]給出的上海地區(qū)10年和100年重現期的基本風壓ω10=0.4 kPa，ω100=0.6 kPa，及基本風壓ωR與其對應重現期R的關系為

(4)

可以算出由本次臺風實測結果推算的上海地區(qū)10 m高度基本風壓ω=0.159 kPa對應的重現期為3年.

圖6為1 h內時距為3 s,10 min和1 h時的平均風速.1 h平均風速比10 min最大平均風速略小，而3 s最大平均風速明顯大于10 min最大平均風速，其最大值可達到35 m·s-1.三個平均時距平均風速的變化趨勢一致.

圖6　1小時內不同平均時距最大平均風速

Fig.6Maximum mean wind speeds in 1 hr for different durations

不同平均時距風速的相互關系對于結構抗風設計具有重要參考價值，這里取平均風速大于16 m·s-1的風速段進行分析.圖7和圖8分別為3 s最大平均風速隨10 min平均風速變化關系和10 min最大平均風速隨1 h平均風速變化關系，兩圖同時給出了變量之間的線性擬合關系.結果表明,10 min最大平均風速與1 h平均風速有很好的線性關系：y=1.049x+0.204，10 min平均風速的標準差較小，大部分都小于1 m·s-1.3 s最大平均風速與10 min平均風速也呈現線性關系：y=1.206x+0.693，3 s平均風速的標準差較大，變化范圍是1.5～3.5 m·s-1.

3.2脈動風特性分析

本文取2015年7月10日18:30至2015年7月11日20:40東北端風向角在有效范圍內風速數據進行脈動風特性分析.

3.2.1湍流強度與陣風因子

湍流強度反映了脈動風的相對強度.湍流強度定義為平均時距內脈動風的標準差與平均風速的比值，這里平均風速分析時距取為10 min (下文中若無特別說明，平均時距均取10 min)：

圖7　3 s最大平均風速隨10 min平均風速變化關系

Fig.7Maximum 3 s mean wind speeds versus 10 min mean wind speeds

圖8　10 min最大平均風速隨1 h平均風速變化關系

Fig.8Maximum 10min mean wind speeds versus 1 h mean wind speeds

(5)

式中:σi(i=u,v)表示順風向和橫風向脈動風速分量的標準差.

圖9為順風向和橫風向湍流強度Iu,Iv隨10 min平均風速變化情況.由圖可知，Iu變化范圍是[0.061,0.155]，均值為0.107；Iv變化范圍是[0.040,0.158]，均值為0.066.Iu∶Iv=1∶0.62.其中Iu隨平均風速的增加沒有明顯的變化趨勢，而Iv隨著平均風速的增加而逐漸減小.An等[4]和Quan等[5]分別分析了臺風“梅花”作用下和良態(tài)風下環(huán)球頂部脈動風的湍流強度隨10 min平均風速變化情況.“梅花”作用下10 min平均風速范圍是8～17 m·s-1，良態(tài)風下10 min平均風速范圍是8～22 m·s-1.表1為三次實測中湍流強度結果的對比.從表1可以看出，臺風“燦鴻”測得的兩個方向湍流強度的變化區(qū)間和均值都要比“梅花”測得的湍流強度小，而“燦鴻”中10 min平均風速的變化范圍(16～26 m·s-1)比“梅花”大.綜合這兩次臺風實測結果可得,Iu,Iv隨著10 min平均風速的增加而減小.Quan等[5]的實測結果表明，在良態(tài)風下，環(huán)球頂部Iu,Iv隨著10 min平均風速的增加而減小，其結果與兩個臺風綜合分析的結果一致.在日本規(guī)范(2004)[9]中，相同高度(494 m)，相同地貌(V類)的順風向湍流強度值為0.11，與本次實測結果(0.107)一致.中國規(guī)范[8]中，相同高度(494 m)，相同地貌(D類)的順風向湍流強度值為0.12，與本次實測結果也很接近.

圖9　湍流強度與10 min平均風速關系

Fig.9Turbulence integral scales versus 10 min mean wind speeds

表1　湍流強度對比

陣風因子反映了陣風風速與平均風速的相對大小，陣風因子定義為陣風持續(xù)時間tg(本文取3 s)內最大平均風速與分析時距(10 min)平均風速U的比值，即

(6)

圖10為順風向、橫風向陣風因子Gu,Gv隨10 min平均風速變化情況.由圖可知，Gu變化范圍是[1.112,1.385]，均值為1.226；Gv變化范圍是[0.088,0.705]，均值為0.177.Gu∶Gv=1∶0.14.其中Gu隨平均風速的增加沒有明顯的變化趨勢，而Gv隨著平均風速的增加而逐漸減小.

An等[4]和Quan等[5]分別分析了臺風“梅花”作用下和良態(tài)風下環(huán)球頂部陣風因子隨10 min平均風速的變化情況.從表2可以看出，“燦鴻”與“梅花”

圖10　陣風因子與10 min平均風速關系

測得的兩個方向陣風因子變化區(qū)間的下限一致，“燦鴻”測得的變化區(qū)間上限和均值都要比“梅花”測得的結果小.綜合這兩次臺風實測結果可得,Gu,Gv隨著10 min平均風速的增加而減小.Quan等[5]的實測結果表明，在良態(tài)風下，環(huán)球頂部Gu,Gv隨著10 min平均風速的增加而減小，其結果與兩個臺風綜合分析的結果一致.

圖11為順風向、橫風向陣風因子與湍流強度之間的關系.由圖可知，兩個方向的陣風因子均隨著湍流強度的增加而增加.Cao等[10]給出了陣風因子和湍流強度關系非線性擬合的公式

表2　陣風因子對比

(7)

式中：T為平均時距，取為10 min;tg為陣風持續(xù)時間，取為3 s.

順風向、橫風向陣風因子與湍流強度之間關系的線性擬合結果分別為Gu=1.66Iu+1.05，Gv=4.57Iv-0.13.通過式(7)對順風向、橫風向陣風因子與湍流強度進行非線性擬合，結果分別為Gu=1+0.26Iu0.82ln(600/3)，Gv=2.17Iv1.56ln(600/3).由圖11可知,兩個方向非線性擬合結果與線性擬合結果均吻合較好，這說明該高度上順風向、橫風向陣風因子與湍流強度都滿足線性關系.

圖11　湍流強度與陣風因子

3.2.2峰值因子

峰值因子同樣表現了脈動風速的瞬時強度，其定義式為

(8)

圖12為峰值因子隨10min平均風速變化情況.峰值因子的變化區(qū)間為[1.57,3.32]，均值為2.12.An等[4]測得臺風“梅花”的峰值因子變化區(qū)間為[1.37，3.13],均值為2.11.本文實測峰值因子的變化區(qū)間和均值比“梅花”的結果略高，綜合兩次臺風的實測結果可知,峰值因子隨10min平均風速的增加有增加的趨勢.

圖12　峰值因子隨10 min平均風速變化

3.2.3湍流積分尺度和風速譜

本文用實測風速對廣義譜進行擬合來求湍流積分尺度，根據各向同性假設和相關函數與功率譜互為傅里葉變換這兩個條件，推得順風向和橫風向廣義風速分別為

(9)

圖13為順風向、橫風向湍流積分尺度隨平均風速變化的規(guī)律.Lu變化區(qū)間為[74 m,392 m]，均值為187 m；Lv變化區(qū)間為[27 m,183 m]，均值為72 m.Lu∶Lv=1∶0.38.An等[4]計算臺風“梅花”湍流積分尺度的結果為：Lu均值為217.60 m，Lv均值為117.98 m.Quan等[5]計算了環(huán)球頂端良態(tài)風的湍流積分尺度：Lu均值為200 m，Lv均值為160 m，與An等和Quan等的結果對比可知,本次臺風“燦鴻”的湍流積分尺度偏小.

Fig.13Turbulence integral scales versus 10min mean wind speeds

本文將廣義風速譜擬合參數與Von Karman譜的參數進行對比，Von Karman譜公式為

(10)

圖14和圖15為順風向和橫風向實測風速譜(黃色實線)、擬合譜(綠色虛線)、平均擬合譜和對應的Von Karman譜.由圖14可以看出，對于順風向風速譜，平均擬合譜與Von Karman譜在低頻區(qū)一致；平均擬合譜的峰值比Von Karman譜的略大，峰值對應的頻率比Von Karman譜的略?。辉诟哳l區(qū)，平均擬合譜小于Von Karman譜.順風向風速譜參數G的變化區(qū)間為[12.38,69.53]，均值為42.96；b的變化區(qū)間為[1.02,28.41]，均值為4.17；c變化區(qū)間為[0.06,2.36]，均值為0.65，這與Von Karman譜的70.8,2,5/6有一定差距.由上述分析可知，此次臺風順風向風速譜與Von Karman譜有一定差異.

圖14　順風向量綱一化風速譜

Fig.14Normalized spectra of longitudinal fluctuating wind speeds

圖15　橫風向量綱一化風速譜

Fig.15Normalized spectra of later fluctuating wind speeds

由圖15可以看出，對于橫風向風速譜，實測與擬合風速譜在低頻區(qū)均比較集中，平均擬合譜的峰值比Von Karman譜峰值大，峰值頻率比Von Karman譜峰值頻率大.在高頻區(qū)平均擬合譜要比Von Karman譜小.橫風向平均擬合譜的參數F(1+βγ),F,γ,β分別為28.0,10.2,1.38,1.26，這與Von Karman譜的755.2,283,11/6,2有較大差距.由上述分析可知，此次臺風橫風向風速譜與Von Karman譜也有一定差異.

Kolmogorov通過量綱分析得出量綱一風速譜在慣性子區(qū)應該滿足-2/3率，即bc-1=2/3.圖16為擬合參數bc-1頻率分布圖.由圖可知,bc-1變化區(qū)間為[0.5,1.2]，均值為0.79，比2/3大，且有80%的數據大于2/3，從統(tǒng)計的角度來看，本次臺風順風向風速并不滿足-2/3率.Cao等[10]在其文獻中提到，有些臺風風速譜不滿足Von Karman譜.

圖16　參數bc-1頻率分布

4　結論

(1) 10 min最大平均風速與1 h平均風速有很好的線性關系：y=1.049x+0.204，10 min平均風速的標準差較小，大部分都小于1 m·s-1.3 s最大平均風速與10 min平均風速也呈線性關系：y=1.206x+0.693，3 s平均風速的標準差較大，變化范圍是[1.5 m·s-1,3.5 m·s-1].

(2) 順風向和橫風向湍流強度Iu，Iv均值分別為0.107和0.066，Iu∶Iv=1∶0.62.Iu隨平均風速的增加沒有明顯的變化趨勢，而Iv隨著平均風速的增加而逐漸減小.

(3) 順風向和橫風向陣風因子Gu,Gv均值分別為1.226和0.177，Gu∶Gv=1∶0.14.Gu隨平均風速的增加沒有明顯的變化趨勢，而Gv隨著平均風速的增加而逐漸減小.

(4) 順風向和橫風向陣風因子與湍流強度之間關系的線性擬合結果分別為Gu=1.66Iu+1.05，Gv=4.57Iv-0.13.兩個方向非線性擬合結果與線性擬合結果均吻合較好，表明該高度上順風向和橫風向陣風因子與湍流強度都滿足線性關系.

(5) 峰值因子的變化區(qū)間為[1.57,3.32]，均值為2.12.

(6) 順風向和橫風向湍流積分尺度Lu，Lv隨著10 min平均風速的增加而增大，Lu，Lv的均值分別為187 m和72 m，Lu∶Lv=1∶0.38.

(7) 在環(huán)球金融中心頂部測得的臺風“燦鴻”的順風向風速譜與Von Karman譜有一定差異.

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Field Measurement of Wind Characteristics of Typhoon Chan-hom on Shanghai World Financial Center

HUANG Zifeng, GU Ming

(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Based on the measured data of typhoon Chan-hom recorded atop Shanghai World Financial Center (494 m), the wind characteristics, such as mean wind speed, turbulence intensities, gust factors, and peak factors were analyzed. Turbulence integral scales were calculated by fitting a general spectral form to the measured wind velocity data. Wind speed spectra were compared with Von Karman spectra by using fitting parameters. It is shown that the correlation between the maximum 10 min mean wind speeds within 1 hr and the 1 hr mean wind speed, as well as that between the maximum 3 s mean wind speeds within 10 min and the 10 min mean wind speeds, both have a good linear relationship; the longitudinal and lateral gust factors are both linear with the turbulence intensities; the longitudinal and lateral turbulence integral scales increase as the mean wind speeds increase; and there exist some differences between the measured wind speed spectra and the Von Karman spectra.

typhoon Chan-hom; field measurement; integral length scale; fitting wind speed spectrum

2015-09-15

國家自然科學基金重大研究計劃(90715040，91215302);土木工程防災國家重點實驗室課題(SLDRCE15-A-04)

黃子逢(1989—)，男，博士生，主要研究方向為高層建筑風速及響應實測分析.E-mail：zifengh22@163.com

顧明(1957—)，男，教授，博士生導師，工學博士，主要研究方向為結構抗風、數值風洞以及結構振動控制.

E-mail：minggu@#edu.cn

TU317.2;TU312.1

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