良態風及臺風不同風譜對結構風雨振反應對比分析

付　興，李宏男

(大連理工大學建設工程學部，遼寧　大連　116024)

第一作者付興男，博士生，1988年生

良態風及臺風不同風譜對結構風雨振反應對比分析

付興，李宏男

(大連理工大學建設工程學部，遼寧大連116024)

摘要：為了比較良態風及臺風風場對結構風雨耦合作用的影響，利用良態風及臺風風譜生成風雨荷載時程曲線進行時程反應分析。首先介紹了常用的良態風和臺風的不同風譜以及雨荷載計算模型，采用諧波疊加法生成脈動風速以及風雨荷載時程曲線，將風雨荷載施加在輸電塔上進行分析，得到了不同情況下的輸電塔頂點加速度均方根。計算結果表明，在風單獨作用下或風雨共同作用下，由臺風風譜計算的輸電塔頂點加速度均方根大于良態風風譜的計算結果，良態風下的風雨振加速度均方根增大百分比大于臺風的計算結果，最大達到了24.43%。因此在臺風登陸期間應重視臺風的高湍流度和降雨對結構的撞擊作用。

關鍵詞：臺風；良態風；雨荷載；風速譜；輸電塔

基金項目：國家自然科學基金創新研究群體項目(51121005);國家重點基礎研究計劃(973計劃)(2011CB013605);國家自然科學基金重大國際合作項目(51261120375)

收稿日期：2014-04-24修改稿收到日期：2014-06-13

通信作者李宏男男，博士，教授，博士生導師，1957年生

中圖分類號:TM753

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.002

Abstract:Normal wind and typhoon spectra were used to generate time history curves of wind and rain loads in order to compare the influences of normal wind and typhoon fields on wind and rain induced responses of structures. The harmonic superposition method was used to generate fluctuating wind speeds and time history curves of wind and rain loads with different spectra of normal wind and typhoon and the computing model of rain load. The responses of a transmission tower to wind and rain loads were calculated. Then, the RMSs of the acceleration at the top of the tower were obtained under different conditions. The calculation results showed that the root mean squares of the acceleration at the top of the tower obtained with typhoon spectra are bigger than those with normal wind spectra; the increasing percentage of the root mean squares of the acceleration with typhoon spectra is smaller than that with normal wind spectra, the maximal increasing percentage with normal wind spectra reaches 24.43%; so it’s necessary to pay attention to the high turbulence intensity and the impact between structures and raindrops during typhoon.

Comparative analysis for wind and rain-induced responses of structures with normal wind and typhoon spectra

FUXing,LIHong-nan(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Key words:typhoon; normal wind; rain load; wind spectrum; transmission tower

在我國東南沿海地區臺風登陸頻繁，常常會造成大面積的結構倒塌，致使人民的生命財產安全受到威脅。臺風的登陸過程中一定會伴隨強降雨，目前在臺風登陸期間結構發生倒塌行為通常認為是由大風造成的，很少考慮強降雨對結構的沖擊作用。但現有的理論和實驗結果均表明，降雨對結構的作用不可忽略[1-3]，因此非常有必要研究雨荷載對結構的撞擊作用，揭示結構在風雨荷載作用下的倒塌機理。

胡曉紅等[4]利用實測臺風資料對脈動風速譜進行擬合，得到了水平和豎向的脈動風譜。孫建超[5]基于實測臺風氣象資料對脈動風譜進行了研究，結果表明von Karman譜與實測縱向脈動風譜較吻合。李秋勝等[6]通過對強臺風“黑格比”登陸全過程的實測也得到了類似的結論。李利孝等[7-8]均對實測臺風數據進行了風譜擬合，得到了臺風風譜的擬合公式。Sharma等[9]通過對過去熱帶氣旋數據的整理分析，發現在熱帶氣旋影響區域的湍流強度應適度上調，與良態風相比A、B、C、D四類場地的湍流度放大系數分別為1.60、1.48、1.36、1.24。徐旭等[10]采用臺風風譜和Davenport譜對高聳結構進行了風振反應分析，結果表明結構在臺風風場下的反應大于良態風的計算結果。樓文娟等[11]通過對B類良態風及臺風風場的模擬，對某輸電塔進行了數值模擬及風洞試驗，結果表明在臺風登陸地區高湍流度導致了結構的風振系數比良態風下的結果大很多，在結構設計中應重視。在降雨方面，李宏男等率先開展了雨荷載計算模型的研究，他們利用雨滴與結構碰撞過程中的動量守恒定理推導出了雨荷載的計算公式，數值模擬結果顯示在輸電塔風雨反應分析中雨荷載的作用不能忽略。唐順勇等[12-13]利用已有的雨荷載數學模型計算了輸電塔的風雨振反應，并進行了風洞試驗，首次推導了雨荷載的縮尺比，試驗結果驗證了雨荷載數學模型的準確性，同時也說明了在結構風雨振反應分析中雨荷載不能忽略。付興等對已有的雨荷載模型進行了改進，同時進行了數值模擬和風洞試驗研究，試驗結果驗證了數學模型的有效性。

現有的研究內容只是單純的研究臺風或是良態風與降雨的耦合對結構的作用，臺風與降雨耦合還未見報道。由于臺風登陸時的巨大破壞性及隨之而來的強降雨，非常有必要研究臺風與降雨的耦合作用對結構反應的影響。

1良態風及臺風風譜介紹

平均風速沿高度的變化可采用指數風剖面表示：

(1)

式中：V10為10 m高度處10 min的平均風速；H為距地面高度；α為地面粗糙度系數。

《建筑結構荷載規范》[14]中規定將地面粗糙度劃分為A、B、C、D四類，對應的地面粗糙度系數分別為0.12、0.15、0.22、0.30。在臺風地區，平均風剖面的地面粗糙度系數與規范規定略有不同，臺風登陸地區A、B、C類地貌對應的地面粗糙度系數分別為0.10、0.14、0.22[15]。

各國學者通過對良態風實測氣象數據的分析提出了很多著名的風譜，如Davenport譜、Harris譜等。我國規范采用的是Davenport譜[16]，表達式如下：

(2)

式中：K為阻力系數；f為脈動頻率。

與良態風相比，適用廣泛的臺風風譜則相對較少，我國學者石沅提出的臺風風譜表達式如下：

(3)

田浦提出的隨高度變化的臺風風譜表達式如下：

(4)

von Karman風譜的表達式如下：

(5)

2雨荷載計算模型

某一雨滴直徑下的雨壓強計算公式可由下式表示[17]：

(6)

式中：ρr為雨滴密度，取ρr=1 000kg/m3；d為雨滴直徑；nh(d)為雨滴譜；γ為風速比；Vterm為雨滴豎向末速度。

雨滴譜采用Marshall-Palmer雨滴譜[18]：

n(d)=n0exp(-Λd)

(7)

風速比為雨滴水平速度與對應位置處的風速比值，可由下式計算：

γ(H,d,α)=(0.237 3H-0.500 8-

(8)

雨滴豎向末速度可由下式計算[19]：

(9)

若計算某一降雨強度和風速下的雨壓強，對式(6)進行積分即可。

3風場數值模擬

臺風通常風速很大且風向變化劇烈，其脈動風速的非平穩、非高斯特性顯著，但由于本文是研究某一平均風速下的良態風及臺風對風雨激勵反應的影響，因此良態風和臺風的數值模擬均假設符合高斯平穩分布。常用的模擬方法有諧波疊加法和線性濾波器法。這里采用諧波疊加法進行脈動風的數值模擬，脈動風速時程曲線由式(10)計算[20]：

ui(t)=

(10)

式中:N為頻率等分數；θil(ω)為結構上兩個不同荷載作用點之間的相位角；φlk為介于0～2π之間均勻分布的獨立相位角；Δωk為頻率增量；ωu為上限截止頻率。

4算例分析

以某500 kV輸電塔為例，塔高254 m，呼高220 m，鐵塔桿件以圓鋼管為主，部分斜材采用角鋼，桿件材料采用Q235、Q345。有限元模型見圖1。將有限元模型簡化為34個節點，在節點處施加風雨荷載，節點編號從下往上依次增大，簡化后的模型見圖2。

模擬風雨荷載的基本參數為：①地面粗糙度取A、B兩類；②10 m處的基本風速取40 m/s，降雨強度取200 mm/h；③風速譜采用“2”提到的四種風速譜。編程模擬得到的風雨總荷載時程曲線見圖3，功率譜見圖4。由于篇幅限制，圖3和圖4只列出了A類地貌對應的輸電塔第16號模擬點的風雨荷載時程曲線及對應的脈動風速功率譜。從圖4可知模擬的譜線與

目標譜線總體趨勢一致，說明模擬脈動風速的方法合理有效。

圖1 輸電塔有限元模型Fig.1Finiteelementmodeloftransmissiontower圖2 簡化后的模型Fig.2Simplifiedmodel

圖3　風雨總荷載時程曲線Fig.3 Time history curves of wind and rain loads

圖4　模擬譜線與目標譜線對比Fig.4 Comparison of fluctuating wind spectrum and target wind spectrum

將求得的風雨荷載時程曲線施加在結構上進行時程分析，即可得到各點的加速度反應。加速度采集點見圖5。取基本風速V10=40 m/s，選擇A類地貌，隨高度變化的風譜取H=10 m，則上述四種風速譜的譜線對比見圖6。

圖5　采集點示意圖Fig.5 Acquisition point of acceleration

圖6　風速譜對比Fig.6 Comparison of four wind speed spectra

各工況下加速度均方根計算結果見表1。從表1可知，在風單獨作用及風雨共同作用下，良態風作用下的加速度均方根小于石沅譜和田浦譜作用下的加速度均方根，但大于von Karman譜的計算結果。雖然在同種地貌下臺風風場的地面粗糙度系數較良態風風場小，但從圖6可知，當f>0.05 Hz時石沅譜和田浦譜的功率譜均都大于Davenport譜，而von Karman譜在0.05 Hz以上時小于Davenport譜，所以導致了石沅譜和田浦譜的計算結果比Davenport譜大，而von Karman譜比Davenport譜小。由此可知，臺風和強降雨耦合作用下的加速度均方根大于良態風的計算結果，這是由于臺風的高湍流度導致的結果，在結構設計中應予以重視。

從表1中還可看出Davenport譜的風雨共同作用相對風單獨作用的增大百分比最大，雖然石沅譜和田浦譜表示的脈動能量高于Davenport譜，但是Davenport譜對應的地面粗糙度系數大于石沅譜和田浦譜，因而由Davenport譜計算的在各高度上的平均風速較大；由式(6)知，風速越大，對應的雨荷載及雨荷載與風荷載的比值越大，綜上原因導致了Davenport譜計算的增大百分比最大，最大值達到了24.43%，此結果對應的基本風速為40 m/s，降雨強度為200 mm/h，說明在強風雨耦合作用中雨荷載對結構的沖擊作用非常大，不可忽略。

表1　輸電塔頂點加速度反應分析(單位：m/s2)

(b)B類地貌

5結論

首先介紹了幾種常見的良態風和臺風風譜，然后介紹了雨荷載計算模型及脈動風場的數值模擬，生成了各工況風雨荷載時程曲線，對某輸電塔結構進行了風雨荷載共同作用下的時程反應分析進行了對比，得到如下結論：

(1)在風單獨作用下或風雨共同作用下，由臺風風譜計算的輸電塔頂點加速度均方根大于良態風風譜的計算結果，這是由臺風的高湍流度導致的；

(2)良態風下的風雨振加速度均方根增大百分比大于臺風的計算結果，這是因為同類地貌下，良態風的地面粗糙度系數比臺風風場下的地面粗糙度系數大；

(3)所求得的風雨荷載作用下輸電塔頂點的加速度均方根相對風單獨作用的增大百分比最大為24.43%，說明在強風雨耦合作用中雨荷載對結構的沖擊作用非常大，不可忽略。

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