复杂地形下台风近地风场特性及其对大型柔性结构风振的影响

目前我国建筑与桥梁的相关抗风设计规范均基于良态气候，没有考虑到东南沿海地区台风特性，本项目将针对这个问题，研究复杂地形下台风近地风场特性及其对大型柔性结构风振的影响。项目首先通过详细剖析典型强台风个例的风场分布，了解不同路径、不同地形台风近地风场的分布特征，揭示台风路径及台湾岛地形对台风风场的可能影响；并以福建的登陆台风为主要研究对象，充分利用近年来新增的大量高时空分辨率的观测资料，深入研究复杂地形下台风近地风场特性；然后在此基础上，研究台风风场模式对大型柔性结构气动稳定性以及抖振等效风荷载的影响；通过良态与台风两种气候模式引发的结构风效应的对比，建立考虑台风特性的大型柔性结构气动稳定评价方法以及抖振等效风荷载的计算方法，分析台风风剖面特性、紊流特性、空间相关特性等对柔性结构的风振影响，弥补现行相关规范的不足，为我国台风多发的东南沿海地区大型柔性结构的抗风设计提供依据与参考。

选取典型强台风个例，分析不同路径、不同台风环流结构影响下，福建沿海不同区域出现大风的时间、风力等分布特征；分析台湾中央山脉等复杂地形对台风风场变化的作用，发现台湾中央山脉对福建沿海风场再分布起着重要的作用。利用测风塔秒级观测数据和气象台站测风数据，分析TC风速瞬间增幅和风向瞬间变幅的阵性特征，计算东南沿海70m高度50年一遇最大风速、年平均风速及两者的比值，为结构风工程设计提供基本参数。. 利用测风塔和三维超声风温仪观测资料，开展复杂地形下台风近地风场特性研究，获得了一些新的启示，有助于结构风工程抗疲劳载荷等的设计：登陆前后湍流强度会突然不连续的异常增大，地形越复杂值越大；湍流强度随高度符合幂指数递减规律。平均阵风系数随风速大小及距TC中心距离远近和高度而有不同。在登陆点附近，风速的垂直切变大小和正负符号与风速大小、下垫面、所处TC环流位置有关。垂直风速与测风塔相对于台风位置和风向转换方向有关，通常最大风攻角出现在水平风速较小时段，且变化剧烈；海上风速增加阶段湍流强度纵向>横向>垂向，陆上风速减小时纵向和横向湍流强度差异不大，甚至有时横向大于纵向，三方向的湍流标准差有σ2=0.86σ1，σ3=0.51σ1的关系；湍流积分时间尺度多数为8～15s，空间尺度一般100～350m，风速大（小）时空间尺度也较大（小）；台风大风时段湍流谱三个方向在惯性副区满足各向同性假设，惯性区满足-5/3的斜率。. 根据台风风特性，分析大跨度桥梁在台风作用下存在的气动稳定问题，揭示悬索桥主缆系统的刚度退化及扭转发散的机制，指出大跨度悬索桥静风扭转发散最重要的原因是加劲梁--主缆系统的大幅扭转刚度退化，发现台风作用下悬索桥的竖向响应（包括静风与随机抖振响应）对静风扭转稳定性至关重要。采用阶跃函数进行自激力模拟并基于试验进行参数识别，建立桥梁颤抖振时域分析方法，并针对参数识别以及颤振数值分析过程中若干重要影响因素进行探讨，对阶跃函数与有理函数在桥梁时域风致颤振分析中存在的问题进行理论与数值分析。. 对桥梁断面非定常气动力特性的理论研究表明非定常气动力的不可线性叠加性是钝体桥梁断面的固有属性，这一属性决定了钝体断面不存在传统意义下的独立于风场特性的气动导纳函数。揭示现有气动导纳理论模型的逻辑缺陷，并提出试验识别气动导纳应用于实际工程随机风振分析时的建议。