沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究_张传雄史文海王艳茹孙富学著.pdf

图书在版编目(CIP)数据沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究/张传雄等著.杭州：浙江工商大学出版社，2019.5ISBN 978-7-5178-3172-3.沿.张.沿海地区高层建筑风效应研究.TU97中国版本图书馆 CIP 数据核字（2019）第057064号责任编辑唐慧慧谭娟娟封面设计林朦朦责任印制包建辉出版发行浙江工商大学出版社（杭州市教工路198号邮政编码310012）（E-mail：）（网址：http:/）电话：0571-88904980，89991806（传真）排版杭州朝曦图文设计有限公司印刷杭州五象印务有限公司开本710mm1000mm1/16印张12.25字数182千版 印 次2019年5月第1版2019年5月第1次印刷书号ISBN 978-7-5178-3172-3定价45.00元版权所有翻印必究印装差错负责调换浙江工商大学出版社营销部邮购电话0571-88904970YANHAIDIQU FENGCHANGJIEGOU TEZHENG HE GAOCENGJIANZHU FENGXIAOYINGTEXING SHICEYANJIU张传雄史文海王艳茹孙富学 著沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究本书出版获以下项目资助：国家自然科学基金项目（51678455，51478366，51508419）浙江省自然科学基金项目（LY12E08010）前言台风是自然界极为严重的灾害之一，沿海地区由于台风及其次生灾害导致的人员、财产损失均居各种自然灾害的首位，因此进行各种地貌类型下的强台风风场特征和各种类型粗糙度下建筑风效应的研究，对于防灾减灾具有重要的现实意义和社会价值。风特性研究理论主要基于达文波特（Davenport A.G.）的阵风因子法，基本风速由脉动风速和平均风速构成，伯努利（Bernoulli）方程将它们转化成了对建筑表面的动压和静压。其中脉动风速是指较短时间内的风速波动，由风速的不规则变化引起，其强度大小随机变化，即所谓的高频率强度变化的湍流，描述它需要使用随机过程理论。湍流研究者虽然认为纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程组可以用以描写湍流，但是，方程组的非线性使得用解析解精准描述湍流在三维空间里的变化特性变得极其艰难，因此迄今为止，还在使用各种近似方程解。湍流的研究方法主要有两类，一类是湍流相关函数的统计平均理论，关于湍流基本机理的理论研究，进展较为缓慢；另一类则是湍流平均量的半经验理论，理论主要涉及湍流的大尺度运动，它不太能增进研究人员对湍流本质的了解，但对解决实际问题却具有很好的效果，因此，在风工程实测实验中多有应用。在研究风工程的理论分析、数值模拟、风洞实验和原型实测 4 种方法中，理论分析作为风工程计算和试验的前瞻性指导方法，起纲领性作用；使用湍流模型的数值模拟是风工程研究的一个重要计算方法；风洞实验是目前言I沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究前结构风荷载及风致响应评估的主要研究手段；而原型实测掌握着建筑风场特性、结构风荷载作用和结构响应机理最直接的资料，能够更真实地反映高层建筑结构表面的风荷载特性及其风致响应。随着传感器灵敏度技术、信号采集传输处理技术和原型实测方法、手段、设备的发展，现场实测结果的精准度正变得越来越高，并成为检验理论模型、风洞实验和数值模拟结果准确性的权威依据。本书在自然科学基金项目资助下，以风工程的原型实测研究为背景，根据风场数据和气象资料，对沿海地区近地边界层强台风的统计特征进行了分析；基于台风下风场实测数据，对沿海地区边界层范围内多时空、多地貌的风场特征进行了分析和探索；基于高层建筑在多台风下风场及风致振动的原型实测数据，分析了建筑结构模态参数的固有特性，验证了依据频率计算阻尼比的经验公式有效性；根据建筑结构风场的分布特性及建筑结构与来流的流固耦合效应，探讨了气动阻尼比随折减风速、结构振动加速度、速度变化的部分关系规律，并对气动阻尼比及其相关影响因素进行了综合对比研究；基于高层建筑台风风场和风压的同步实测工作，以及相应模型的对比风洞试验，深入研究了台风作用下高层建筑表面的风压特性及其变化规律。上述对沿海地区在台风下的风场特征和既有高层建筑风效应特性进行的深入有效的研究和探索，如果有助于读者对风工程实测基本原理有进一步了解，对仪器设备、分析方法等产生更深的兴趣，并能从中得到启发，从而在实际工程应用中加以参考和借鉴，我们将感到非常欣慰。感谢国家自然科学基金项目（51678455，51478366，51508419）和浙江省自然科学基金项目（LY12E08010）对本书研究内容的资助。同时感谢项目组成员黄小阳、夏禹、包一杰、张剑芳、王澈泉、潘月月对本书的贡献。另外，本书内容的研究和撰写得到了温州大学建筑工程学院的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢。由于作者的水平所限，书中存在的不妥和错误之处，恳请读者批评指正。作者2019年 3月 29日II第1章绪论1.1目的及意义/0011.2高层建筑风场和风致响应现场实测的研究现状/0031.3研究方法/0051.4本书研究工作/0071.5本书的研究线路/009第2章风场特征和高层建筑风效应特性基础应用理论2.1风场基础理论/0102.2风场研究基本方法/0152.3风效应基本理论/0222.4模态识别研究方法/0262.5经验模态分解（EMD）/0342.6本章小结/037第3章高层建筑风场特性实测分析3.1引言/0383.2台风“菲特”及风速实测概况/0393.3实测脉动风特性分析/0403.4本章小结/051001沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究第4章多台风下高层建筑风场特征对比分析4.1引言/0524.2台风简介和实测概况/0534.3平均风特性对比分析/0554.4湍流强度对比分析/0584.5阵风因子对比分析/0604.6峰值因子对比分析/0674.7湍流积分尺度对比分析/0714.8风速功率谱对比分析/0754.9本章小结/078第5章沿海地区风场特征实测分析5.1引言/0805.2苍南县霞关测风塔简介/0815.3风场特性分析/0825.4历年西太平洋地区形成的和登陆我国的热带气旋统计/0945.5温州地区历年的最大风速统计/0965.6本章小结/098第6章特定环境风廓线特征的实测研究6.1引言/1006.2台风、仪器设备及实测过程简述/1016.3应用的理论、经验模型/1036.4风廓线、风场特性分析/1036.5本章小结/113第7章高层建筑结构模态参数及气动阻尼特性实测研究7.1引言/114002目录7.2研究理论及方法/1157.3台风过程、实验楼概况及实测系统/1167.4建筑结构的模态参数识别理论/1187.5振型频率、振型和振型阻尼比实测结果分析/1217.6振型结构阻尼比的识别/1287.7气动阻尼比与折减风速/1307.8本章小结/134第8章高层建筑风压特性的实测研究8.1引言/1368.2台风“鲇鱼”作用下的风压特性/1378.3台风“凡亚比”作用下的风压特性/1518.4两次现场实测风压结果的对比/1628.5现场实测结果与风洞试验结果的对比分析/1648.6本章小结/171参考文献/173003第1章绪论1.1目的及意义全球气候变化的背景下，极端天气事件和气象灾害频发，沿海地区由台风及其次生灾害造成的人员、财产损失都居各种自然灾害之首。我国是世界上遭受台风灾害最为严重的国家。据统计，19492014年66年间，在西北太平洋地区形成的 6级以上热带气旋共 2218个，占全球总数的 1/3，年均约 33.6个。在这些热带气旋中，登陆我国的热带气旋有 617个，年均 9.3个，其中台风（8级以上的热带气旋）有 462个，年均 7.0个，远高于环太平洋受台风灾害严重影响的日本、马来西亚、越南和菲律宾等国家年登陆台风平均数1，2。而地处我国东南沿海的浙江省台风活动尤为频繁。据史料记载，18842012 年的 100 多年间，共有 93 次台风在浙江省登陆，年均 0.72 次。登陆的台风均给浙江省造成了严重损失。如 1994年，9417号台风在温州登陆，受灾人口达 1100万人，死亡 1100多人，损坏房屋 69万余间，其中倒塌 21万余间，直接经济损失超过 100亿元；2006年，第 8号超强台风“桑美”在温州苍南第 1章绪论001沿海地区风场结构特征和高层建筑风效应特性实测研究县马站镇登陆，登陆时近中心最大风速 17级（1min 平均风速达 68m/s，中国气象局认可的温州苍南鹤顶山风力发电站测得的阵风记录为 81m/s），它是之前 50 年来袭击我国大陆最强的台风，给浙江、福建等东南沿海各省造成了严重的灾害，确认死亡 458人，直接经济损失高达 195亿元。近年来随着我国经济的快速发展，轻质高强新型建筑材料的不断应用，以及工程结构设计与建筑施工技术的日新月异，大量功能复杂、结构新颖的高层建筑不断涌现。浙江、福建等沿海省市相继建成一系列高层建筑及一些超高层建筑，如温州市世界贸易中心（高 323m）、温州市置信广场（高255m）、温州市华盟商务广场（高 168m）、厦门市观音山营运中心 11号楼（高146m）等。相对于传统建筑而言，这些大型高层建筑具有一些全新的结构组合形式及受力特点，其结构特征表现为质量轻、柔性大、阻尼小。由于高层建筑结构的自振频率较低，恰位于或接近台风脉动湍流的主要频率段，在台风的作用下其结构风致响应较大。其中结构振动加速度和扭转角速度的幅值较大，这是该地区高层建筑使用舒适性设计的主要控制指标。另外，高层建筑的建筑造型繁复多变，台风风场在经过高层建筑附近时，会产生较为复杂的旋涡脱落和再附现象，并可能在结构的某些部位产生较大的局部风荷载，引起结构构件非均匀受力或应力集中，进而产生较为激烈的风致结构响应，导致其使用寿命期缩短或风损。超高层建筑在台风作用下的动力学行为，既与建筑物所在地区的地面粗糙度和台风风场特性有着紧密联系，又与建筑物本身的建筑形态和结构参数密切相关。目前国内大多数针对高层、超高层建筑的抗风研究大多集中在深圳、上海、广州等超大型城市，这类城市的超高层建筑林立，地面阻塞度很大，地貌类型通常接近 建筑结构荷载规范 中所规定的 D 类地貌，而浙江和福建沿海地区目前超高层建筑的数量相对较少，这就使得这两个地区沿海城市中心的风环境与超大型城市有较大差别。另一方面，台风多发地沿海的超高层建筑具有独特的建筑形态和结构模态参数，建筑结构风致响应特征也有其特别规律，影响风致响应变化的主要因素有很多，但仍有许多未知因素等待研究。所以，本书选择沿海城市中有代表性形态的高层建筑及多种典型的环境，在台风下开展其风场和风效应的原型实测研究，探索风场特性、风002第1章绪论环境、建筑形态、结构模态、风荷载、风效应之间的关系。本书的研究将进一步深化对高层建筑在台风作用下结构风致响应及其耦合特性的认识，深化各种环境地貌的风场在台风作用下的特征规律的理解，为提高我国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，提高建筑结构的安全性和投资的高效性。1.2高层建筑风场和风致响应现场实测的研究现状现场实测是结构抗风研究中非常重要的基础性方法。世界各地研究人员专门建造测量高塔，或在既有超高层建筑、高耸结构上安装风速仪、风压传感器和振动测试仪，或利用精确动态激光测距仪、雷达、GPS等先进方法，在风场特性及结构风效应特性的全尺度实测方面做了大量工作3-6。过去几十年，国外学者对于超高层建筑风场及风效应的原型实测进行了深入的研究探索，业已获得了一定的研究成果。Davenport et al.7研究了边界层平均风沿高度的变化规律，建立了风速剖面经验模型。Von8，Davenport9等分析了台风的湍流脉动特性，提出了各自的湍流功率风速谱经验模型。Panofsky10根据 Brookhaven塔的脉动统计数据，亦给出了不同高度的湍流风速谱模型，并且证明了 Davenport提出的相似假设理论（19