沿海地区风剖面特性研究

崔利慧1

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074

摘要：沿海地区是台风频发区，研究风剖面演变规律和抗风理论计算中重要参数的取值问题是提高建筑抗风能力最直接可靠的手段。加强实测台风近地面剖面，尤其是具有非幂指数竖向剖面的实测值研究将利于台风数值模拟和风洞试验的进一步开展。近地面风特性是决定建筑结构风荷载取值的重要因素。受大气压力梯度驱动的空气流动，受到地面建筑、植被等因素的影响，其运动速度随高度的下降而逐渐减小，形成所谓的“大气边界层”。

关键词：风剖面；模型；实测研究

0引言

国内台风登陆地点多集中于中南部沿海城市，且有研究表明，近年台风登陆地点集中在浙江、广东等地，登陆时强度多为台风、强台风，甚至达到超强台风级。自1949年至2022年，浙江登陆的47个台风中，集中于浙江南部地区尤其是温岭、台州、温州等南部城市。登陆时强度在台风及以上的占比超过60%，其中有4个是超强台风因此，通常选取不同强度台风进行分析研究，并观察其变化规律，为风荷载参数研究提供设计参考，也可因此减少台风灾害带来的人员伤害和财产损失。

1实测研究

风速通常采用平均风速，平均风速是指空间某一点，在给定的时段内各次观测的风速之和除以观测次数。在气象科学技术中，一般所说的风速，意味着是平均风速，如地面观测中的正点风速，实际上是正点前10分钟的平均风速。

1.1风剖面模型

在大气边界层内，用风速廓线理论研究平均风速沿高度的变化规律，常用的风速廓线理论模型包括指数率模型、对数率模型和Deaves-Harries模型。

1）指数率模型

Davenport通过大量的实测研究，提出平均风沿高度呈指数分布。由于指数率模型形式简单，经验表达式下：

式中：表示标准高度；表示标准高度处的风速；表示地面粗糙度指数。

2）对数率模型

在中性大气条件下，大气边界层的近层和远层存在一定重叠区域，这一区域的风速同时满足壁面定律和速度亏损定律，以此得到风剖面的对数率表达式如下：

式中：为粗糙度长度按《建筑结构荷载规范》下C类粗糙度类别，规范取0.22m；k为 Karman 常数，取0.4；表示摩擦速度，其常用数学表达式如下：

式中、和分别代表纵向脉动风速、横向脉动风速和竖向脉动风速。在中性条件下，对数风速廓线能够很好地描述平均风速随高度的变化。

3）Deaves-Harries模型

Deaves改进了对数律模型，使得改进后的对数率模型完全适用于全边界层，得到的Deaves-Harries公式：

式中表示边界层高度，计算表达式如下：

式中,为经验参数,一般取6；f为科里奥力参数，取。

在实际的风工程应用中，由于对数率风剖面的计算要比指数率风剖面更为复杂，而两者在计算结果上却差别不大，在我国的《建筑结构荷载规范》中，就不仅使用指数率风剖面来描述平均风速的变化情况，并且还规定了四种地面粗糙度的类别。

1.2风特性分析

为准确描述某一地区的风特性，最显著的方法是进行大量风观测与研究。在选择风参数的统计分析方法时，不同国家和地区的观测时距不同，分别有3s、10min、1h，而我国普遍采用10min时距。Counihan[1]基于四种不同粗糙度地形地貌的实测数据分析，发现湍流强度、阵风因子等分别具有相当类似的变化规律。大气边界层平均风剖面特性主要包括平均风速、湍流强度和阵风因子随高度的变化规律。

1）湍流强度

湍流强度是衡量湍流强弱的相对指标，是描述大气湍流运动的重要特征量。定义为平均时距内脉动风速的标准差与相应时距内纵向平均风速大小的比值，表达式为：

式中为脉动风速和的均方根；分别表示纵向、横向及竖向脉动风速分量。

2）阵风因子

阵风因子定义为阵风持续期内的平均风速最大值与相应平均时距内的平均风速之比，表达式为:

式中,、、分别表示纵向、横向及竖向脉动风在阵风持续周期内平均最大风速。

1.3 阵风因子与湍流强度关系

有学者对此进行了大量的实测研究[2-4]，纵向阵风因子与湍流强度随平均风速变化的趋势相似度较高，存在密切的相关性，结果表明纵向阵风因子和湍流强度的关系可采用下式表达：

式中，t表示平均风时距（10 min），tg为阵风持续时距，取3 s。a、b为无量纲参数。Ishizaki[5]建议a取0.5，取1.0；建议a取0.62，取1.27；建议a取0.5，b取1.15。李正农等[6]对不同时期台风登陆区域展开了大量的现场实测工作，结果表明:湍流度和阵风因子随平均风速增大有减小的趋势，脉动风速功率谱密度与Karman谱密度基本符合。

2结语

风荷载对高层建筑结构的风振响应也越来越显著，对建筑风荷载准确计算平风速和风压垂直分布计算以及建筑安全性、可靠性设计都至关重要。为提高沿海区域高层建筑的抗风能力和减轻风灾损失提供可靠的科学依据和较为准确的实用性参数及计算方法。不同风的类型，风剖面演变的研究、风剖面理论模型的适用性以及台风作用下对高层建筑结构的风致响应仍是目前研究的热点问题。

参考文献：

[1]Counihan J. Adiabatic atmospheric boundary layers: Areview and analysis of data from the period 1880-1972. Atmospheric Environment, 1976, 9(10)：871-905.

[2]shizaki H. Wind profiles, Turbulent Intensities and Gust Factors for Design in Typhoon-prone Regions[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1983，13：55-66.

[3]Wang X，Huang C，Huang P，et al. Study on Wind Characteristics of a Strong Typhoon in Near‐ground Boundary Layer[J]. Structural Design of Tall & Special Buildings，2017，26(5)：1-13.

[4] Choi E.C.C. Gradient Height and Velocity Profile during Typhoons[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1984，13(1):31-41.

[5]Ishizaki H. Wind profiles, Turbulent Intensities and Gust Factors for Design in Typhoon-prone Regions[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1983，13：55-66.

[6]史文海,李正农,张传雄． 温州地区近地强风特性实测研究［J］. 建筑结构学报,2010, 31(10): 34-40.