台风“海鸥”的风场实测与输电塔风振响应分析

为研究强风作用下输电塔风振动力响应的规律,选择代表性地貌下的典型输电塔进行监测,得到了台风"海鸥"经过时,多点边界层风特性的实测结果以及风致输电塔振动的真实动力响应。基于风速数据,着重分析了空间风场特性的各项参数,包括平均风速和风向、风剖面参数、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱。采集了输电塔横担和塔头塔身连接处振动加速度响应。分析了杆件薄弱部位的风振动应变响应,对杆塔在台风作用下的安全性进行了评估。为输电塔抗台风设计改进提供重要的实测数据支持。     

中信广场风场特性及风致结构振动的同步监测

通过对广州中信广场在台风“达维”作用下其风场与风致结构振动的现场同步监测，获得了台风风场和结构动力特性，及风致结构振动响应等相关结果。通过对现场测试数据的分析，验证了湍流强度随平均风速增大而减小和阵风因子随湍流强度增大而增大等规律，实测的脉动风速谱与von Karman谱亦很吻合。同时通过对中信广场加速度响应与平均风速关系分析得出，该高层建筑物的顶部风速即使处于低中风速范围时，其横风向响应已接近于顺风向响应。根据实测风振加速度数据，对结构动力特性（频率及阻尼比）进行了识别，采用随机减量方法求得了结构在两个主轴方向第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。     

台风湍流积分尺度与脉动风速谱——基于实测数据的分析

基于4个台风过程中的长时间序列风速、风方向观测数据，分析研究了近地台风的湍流积分尺度和脉动风速谱等脉动特性。介绍了湍流积分尺度的几种常见的计算方法，基于实测台风数据，分析研究了台风过程中湍流积分尺度的变化以及不同计算方法的稳定性。根据实测数据计算了纵向脉动风速谱，并与Von-Karman谱、Davenport谱、Simiu谱和Harris谱等经验谱进行了比较，给出了最适合描述台风纵向脉动风速谱的经验谱。还计算了横向脉动风速功率谱，并与基于各向同性湍流理论推导出的水平横向脉动风速谱进行了对比。     

强台风“尤特”近地风特性实测分析

基于建立在台风登陆较为频繁海岸的近地观测点,对强台风"尤特"登陆过程的风场特性进行了现场实测,获得了其风速、风向及风压的时程数据。通过对观测点周边测风塔的实测数据进行分析,获悉了强台风"尤特"登陆过程10 m高度处的最大瞬时风速为37.05 m/s,10 min时距下最大平均风速为26.31 m/s,并进一步得到了10 min时距下的平均风速与平均风向。分析了脉动风的湍流特性,结合经验公式探讨了阵风因子与湍流强度之间的相关性,并对二者进行了相关性拟合。研究了顺风向脉动风速功率谱,与各经验谱进行比较后得知,Karman谱与实测谱最为吻合。     

高压输电塔线耦联体系风振响应有限元分析与现场实测对比研究

采用ANSYS软件建立了华东电网某500kV高压输电线路结构的三塔两线空间有限元模型,将线路实测的台风"韦帕"风速记录转换为风荷载,进行了该塔线耦联体系的非线性风振响应分析,有限元模型计算结果与现场实测加速度响应吻合较好,说明文中建立的高压输电线路结构的有限元模型是合理的,可以较为准确地分析塔线耦联体系的风振响应。在此基础上,研究了设计风速作用下塔线耦联体系的风振响应,并与规范拟静力响应作了比较。结果表明:在设计风速时,线路中输电塔主要受力构件的内力接近钢材的屈服强度设计值,有引发塔架破坏的可能。按现行输电线路结构设计规程设计的输电塔结构在设计风速作用时是偏于不安全的,输电线路结构设计时需要考虑塔线之间的耦合作用对输电塔动力响应的影响。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

基于实测加速度的高层建筑风荷载反演

在台风"杜鹃"登陆期间,对温州市某高层建筑进行了现场实测,得到了建筑物的风场和加速度响应等数据。进而对实测结构进行了模态参数识别,得到了其固有频率、振型和阻尼比。对结构加速度响应信号进行了去噪处理,经过信号处理后的响应数据满足高斯分布,进而通过积分得到高层建筑的速度和位移响应。同时,运用等效原理建立了该高层建筑结构的5质点简化弯剪模型,使简化结构的动力特性和原结构相似。再应用简化模型反演出结构受到的脉动风荷载时程。将反演得到的脉动风荷载时程叠加上平均风荷载得到各测点风荷载时程,再作用到简化模型上运用Newmark-β法进行风致响应分析,计算得到的加速度响应与实测加速度响应较为吻合。     

台风等效静风荷载作用下输电塔线体系极限承载力分析∗

台风引起的输电线路破坏情况屡有发生,为了研究台风作用下输电塔线体系的极限承载力,以实际发生倒塔事故的广东省某 220 kV 输电线路的塔-线体系为研究对象,结合台风风剖面和规范中的方法确定塔线体系的等效静力风荷载,考虑输电塔结构的材料非线性和几何非线性特征,通过有限元软件 ANSYS 在逐级加载条件下分析输电塔线体系的极限承载力,研究风向角、相邻塔的变形、导地线张力的变化对极限承载力的影响。结果表明:(1)通过逐级加载的方式可以较为方便的找到不同工况的极限荷载,确定出结构的最不利风向角;(2)塔线体系模型的选取会较大的影响计算结果,应尽量接近真实情况的选取模型,从而得到更为准确的分析结果;(3)导地线初始张力可以一定程度上提高输电塔线体系的极限承载力,在条件允许的情况下可以适当增加导地线的初始张力。     

台风风场简化理论模型的对比研究∗

台风风场模型的研究对于台风风场极值风速、巨浪的精确预报以及与之相关的灾害评估研究是极具现实意义的。系统介绍了Kepert提出的台风风场线性解析模型和Foster提出的基于相似理论求解的半解析模型。在Kepert解析模型的基础上进行改进,引入沿高度变化湍流扩散系数模型和受速度影响的拖曳系数模型,用半解析的方法对风场进行求解。借助Dropsonde现场观测台风风速剖面数据对本文提出改进模型的准确性进行验证。利用三种理论模型对实测海上台风表面风场进行模拟,与H*wind风场数据进行比较,验证不同模型之间的差别,并定量分析不同模型对台风表面风场特性的模拟能力。     

覆冰输电塔-线体系风致动力响应分析

依据流体诱发振动原理,结合已有覆冰计算模型,考虑降雨的分类,模拟了输电塔-线体系不同高度导线的覆冰和风荷载。以东北地区某输电塔为例,对覆冰输电塔-线体系在稳定风速激励下的动力响应进行分析,并与不考虑塔线耦联的导线舞动分析结果及覆冰塔线拟静力的分析结果进行对比,对塔位移、输电线位移、钢材应力进行了分析。研究结果表明:塔-线耦联体系对覆冰导线风振有很大影响,覆冰输电塔抗风设计安全度需要进一步提高。     

近地强台风特性分析方法对比研究

利用复杂地形1110组10min时距实测强台风记录,分别采用非平稳风速模型及平稳风速模型进行了脉动风特性参数分析,并与1h时距的计算结果进行了比较。着重讨论了非平稳风速模型是否适用于10min时距的强台风特性分析、如何选择合适的时变平均风及基于1h时距和10min时距分析所得风特性的区别。结果表明,采用非平稳风速模型计算时,时变平均风的振动周期不应小于分析时距的一半,两种时距下非平稳风速模型得到的风速特性的变化特征基本一致。     

温州地区台风和下击暴流风场特征观测研究

利用风廓线声雷达在温州大罗山西北部的茶山地区从2019年4月到2021年9月对台风“利奇马”、“米娜”、“黑格比”以及2个下击暴流风场进行实测,获得了台风、下击暴流影响时的边界层风速剖面演变过程。比较各风场边界层规律：台风风场边界层最高,下击暴流次之,常态风场边界层最低。在台风中心30～129 km范围内,边界层高度沿气旋半径向外呈先增大后减小再增大的趋势。验证了二阶高斯拟合模型对于台风风场风剖面形态的适用性,实测台风近地50～400 m高度层均表现为D形风剖面,根据不同的参数取值,可以很好地拟合台风上部的S形风剖面。总结下击暴流风场演变过程的3个阶段：高层大风,影响时低层强风切变,影响后回归高层大风。验证了三阶高斯拟合实测模型与Oseguera与Bowles模型、Vicro模型、Wood与Kwok模型对于描述下击暴流风剖面形态的差异性。发现了滨海丘陵地形下实测的下击暴流风速均在100～400 m高度层先递减后递增。分析了台风风场与下击暴流的水平垂直方向风速相关性的差异,即台风风场与下击暴流分别在90～200 m、50～400 m高度层水平与垂直方向风速为正相关,均在近地层突变为负相关...     

巨型减振结构体系风振效应的参数影响研究

巨型结构风激振动特性非常复杂,其动力性能受多种参数的影响。为合理考虑这些因素的影响,以某48层巨型钢结构为研究对象,针对无控、设置粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器三种分析工况,系统研究了其在平均风和脉动风荷载共同作用下的动力响应。通过结构顺风向侧移响应、构件内力响应及顶层加速度响应等一系列数据,揭示了风速攻角、基本风压、附加阻尼比及二阶效应等对此类结构体系风振控制动力性能的影响规律与变化趋势,并依据分析结果对其抗风分析与设计提出了相应的建议,因而具有实用参考价值。     

台风“玛莉亚”作用下风场结构特征现场实测研究

研究台风下不同环境风场结构特征变化规律对分析建筑结构的风效应和防灾减灾具有重要的指导意义。本文基于2018年8号台风"玛莉亚"过境时温州实测点A多普勒声雷达及实验楼B屋顶风速仪的风速实测数据,依据对数、指数和D-H模型理论,运用统计学的积差法及假设检验方法进行相关性分析,并对实测点A水平及竖向风剖面曲线进行变化规律探索,分析总结得到如下结论:不同地貌类型下高度相同两个相距6. 21km实测点的水平平均风速及风向线性变化具有高度相关性,风速越大、时段越短,则相关性越强;水平方向风剖面拟合曲线在影响期与指数律模型相当接近,在稳定期则趋于D-H模型,风剖面拟合粗糙度指数a随水平平均风速的增加而减小;由风廓线样本计算获得的边界层高度平均值为1 421 m,较荷载规范取值及良态风计算值分别增大3. 06倍、1. 78倍;相对水平方向,竖直方向平均速度变化激烈,竖向风廓线指数律拟合指数随竖向平均速度的增加而增大。     

基于台风风场经验模型的海面风场数值模拟

为估算经过海面时摩擦力对台风风场造成的影响,引入了适用于从低风速到高风速计算的关于海面10 m高风速U_(10)的海面拖拽系数C_d的表达式,进一步发展了以Vickery台风风场模型为基础的台风风场经验模型。然后,将利用不同Charnock常数μ计算得到海面拖拽系数C_d随U_(10)的变化情况与实测数据进行了对比。最后,将台风风场经验模型应用于台风"黑格比"期间经过海面时台风风场的数值模拟。将计算得到的台风1 h平均风速与海面观测塔获取的观测数据进行了对比。研究结果表明,基于此海面拖拽系数C_d表达式的台风风场经验模型能对经过海面时的台风风场进行很好的模拟。     

台风期间润扬悬索桥模态参数环境相关性研究

为给大跨桥梁结构损伤识别和安全性评价提供可靠的模态参数,利用润扬悬索桥结构健康监测系统(SHMS)记录的主梁加速度响应,基于希尔伯特黄变换(HHT)方法开展了该桥的模态参数识别分析,并进一步研究了"麦莎"台风期间该桥模态参数与所测环境的风速、温度因素间的偶联关系。研究结果表明:基于HHT识别的低频段阻尼比值普遍要大于高频段,阻尼比总体随着频率的增大而减小;识别结果与成桥试验所得现场实测参考值以及有限元值几乎吻合,验证了该方法的可靠性;台风期间各阶模态的频率相对稳定,受风速、温度影响程度小;模态阻尼比的波动性则较为明显,受风速、温度影响较大。研究结果可为更好地掌握台风期间大跨度悬索桥的动力特性及其全过程变化规律提供参考。     

尖山地区复杂地形下的风场模拟

为了得到河南省新密市尖山"真型输电线路"实验基地所在复杂地形下的风场特征:平均风与脉动风特性,本文采用计算流体动力学的方法对尖山"真型输电线路"实验基地所在区域的风场进行数值模拟。数值模拟研究结果表明:平均风速剖面并不符合规范设计的对数和指数风剖面,而是近地面局地"速度加大(speed-up)"现象显著体现,同一高度风速会大于设计风剖面;进一步,平均风向、湍流强度、湍流积分尺度以及Reynolds应力剖面都很好地体现了局地地形的影响作用,其中风向是由于"风向影响(twist-effect)"机制影响。最后,通过分析脉动风速谱随风向的变化规律,得到适合尖山地区风速谱特征。     

预紧力对输电塔节点承载能力特性研究∗

为探讨风荷载作用下输电塔破坏机理,本文以实际输电塔体系为例,通过建立不同螺栓预紧力作用下输电塔节点精细化模型,用来进行输电塔的螺栓在实际工程中拧紧程度的模拟;提出了螺栓与输电塔各构件之间的非线性接触力模型,研究了风荷载作用下输电塔构件之间接触效应的精确模拟.结果 表明:随着预紧力的增大,斜材螺孔应力、节点板上相对位于斜材处螺孔应力和斜材螺栓应力逐渐增大,并基本呈线性变化;而主材螺孔应力、节点板上相对位于主材处螺孔应力和主材螺栓应力基本不变.可见随着外荷载加载比例逐渐增大,螺栓预紧力对节点承载力性能的影响逐渐减小.     

输电塔结构的动力稳定性研究

作为一种重要的生命线工程,输电线路的破坏会造成巨大的经济损失。统计显示,风荷载作用下输电塔结构的动态侧倾失稳是输电线路经常发生的破坏形式之一。因此,对风作用下输电塔结构的失稳破坏进行研究有着十分重要的意义。本文应用谐波叠加法模拟脉动风场,分别采用Budiansky-Roth准则和动态增量法(IDA)结合位移相等准则这两种方法,基于ANSYS的非线性屈曲分析和时程分析模块,对沈阳某输电塔的抗风动力稳定性进行了研究。结果表明,风的动力特性对结构稳定性影响较大,现行规范中按等效静力风荷载进行计算是偏于不安全的。     

中国东南沿海重点城市台风危险性分析

中国东南沿海地区是中国经济最发达，人口最稠密的地区，同时也是世界上受台风影响最严重的地区之一。本文以上海经9个沿海重点为例，通过对《台风年鉴》数据的分析处理，提取了台风关键参数并进行了统计分析与建模；利用Monte Carlo抽样和成熟台风风场模型模拟，得到了极值风速序列，对年极值风速序列进行极值风速统计分析，得到了不同重现期和地貌的极值风速，结果与实测风速比较吻合。