台风气候条件下近地风特性及格构塔风效应实测和风洞试验研究

Lattice tower is a kind of widely used structural form, which is often damaged under the influence of typhoon which may cause capital losses. In order to study the mean and fluctuate wind characteristics of near-ground typhoon, field measurement of wind data under typhoon is firstly carried out in southeast coastland in China, such as Fujian and Shanghai, including the mean wind velocity, wind direction, turbulence intensity, gust factor, peak factor, turbulence integral scale, fluctuating wind power spectrum, and speed correlation with various heights and distances. Especially the non-stationary and frequency domain characteristics of typhoon are studied in detail. Secondly, field measurement of the along-wind, across-wind and torsinal direction responses of a lattice tower, which located in a research base near the east coast of Pudong, Shanghai, is carried out to research its vibration characteristics under typhoon. At the same time, the high-frequency force-balance model and aeroelastic model of the lattice tower are tested in wind tunnel to obtain the wind load distributions and wind-induced vibration results of the lattice tower. By comparing with the results of the field measurment, the influence factor on testing accuracy of wind tunnel model tests of lattice towers are analyzed, and the wind field simulation technique, the experimental methods and wind-induced vibration calculation methods are improved. On the basis of above study, the load-acting mechanism and wind-induced vibration mechanism of lattice towers are comprehended in depth,and finnaly to improve the wind-resistant ability of lattice towers.

格构式塔架是一种广泛应用的结构形式，其在台风作用下经常发生破坏，造成巨大的损失。首先在我国福建和上海等东南沿海地区开展台风气候条件下的近地风场特性的现场实测，研究近地台风的平均风和脉动风特性，包括平均风速与风向、湍流度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱以及不同高度和距离的风速相关性等，特别针对其非平稳性和频域特性进行详细研究。对在上海浦东实测基地内格构式塔架在台风气候条件下的顺风向、横风向和扭转向响应进行现场实测，研究其在台风作用下的风振响应特点。同时在风洞中进行高频测力试验和气弹模型试验，获得其风荷载分布和风振响应结果。通过与实测结果的对比，分析影响格构塔风洞模型试验结果精度的因素，改进风场模拟技术和格构塔风荷载和风振响应的风洞试验和计算方法，深入认识格构塔的风荷载作用机理和风振响应机理，提高格构塔的抗风能力。

台风是全球发生频率最高，影响最为严重的自然灾害之一，而格构式塔架在台风作用下发生破坏的现象十分普遍。本项目基于同济大学上海浦东实测基地建立的40m高格构式钢管塔，利用现场实测和风洞试验的方法，研究了台风条件下近地风特性，以及格构式塔架在台风影响下结构风荷载和风致振动等特性，主要工作如下：（1）上海地区台风实测。基于上海浦东实测基地40m高格构塔，观测了2012-2015年间影响上海的台风，分析台风“海葵”的近地风剖面特性以及台风“灿鸿”和“天鹅”登陆过程中不同时段的近地风特性和非平稳特性。（2）福建沿海地区台风与季风实测。基于上海台风研究所在福建省海岸边设立的100m高测风塔观测到的四个不同高度处三维风速数据，对比分析了台风“狮子山”、“莫兰蒂”、“凡亚比”和“鲇鱼”及四个季风登陆过程中平均风速风剖面与风向、粗糙度指数、摩擦速度、粗糙长度、边界层高度及大气稳定度参数等特性。（3）格构塔风效应实测及气弹模型风洞试验。对格构塔在台风“浣熊”及“娜塔莉”作用下的风致响应进行实测，并分析其结构动力特性。以实测塔为原型，根据离散刚度法建立了格构塔气弹模型，在不同湍流条件下进行了气弹模型风洞试验，研究了格构式塔架的振动特性与风向角、风速及湍流度之间的关系，并与实测结果进行对比。（4）格构塔高频天平测力试验与实测。以实测塔为原型，在风洞中进行了高频天平测力试验，基于试验得到的模型基底力获得了结构的整体风荷载，并根据随机振动理论计算了原型结构的顺、横风向和扭转向加速度响应，最后与实测结果进行对比。（5）格构塔大比例节段模型测压试验。取格构塔3个典型节段，在均匀湍流风场下对各节段模型进行风洞试验，得到节段上各测点风压时程数据，以及平均、脉动风压系数等，进一步分析不同风向下各杆件的受力情况与整体受力关系，以及顺风向和横风向受力对结构整体受力的影响，分析了格构塔的风荷载作用机理和风振响应机理。