北京城区大气稳定性及近地强风特性实测研究

摘要

随着北京城区城市建设进程的加快，建筑物相应增多、增密和增高，导致城区近地面风场特性发生了显著变化。与此同时，大跨度、超高层建筑正逐渐成为城市建筑发展的重要方向，而风荷载是这两类建筑结构设计的重要控制荷载之一;风场的改变可能在大跨度、超高层建筑抗风设计的安全性方面带来新的问题，因此重新研究北京城区近地强风特性十分必要。
　　另一方面，风场特性与大气稳定性、风场平稳程度密切相关，结构风工程领域更为关心的是中性、平稳风场。因此，本文首先根据北京325m气象塔2013年-2015年实测风速温度数据研究了北京城区大气稳定性和风场平稳性，并在此基础上筛选数据，然后基于筛选数据统计得到了北京城区近地强风特征及其模型。本文主要内容如下所述:
　　(1)对实测风速数据进行预处理，并分析塔身对超声风速仪采样的干扰效应，在此基础上对总体风速数据、年风速数据、月风速数据进行统计分析，分析内容包括概率密度分布、最大瞬时风速、最大平均风速及不同风速区间内样本数等。
　　(2)将梯度理查孙数Ri和M-O长度作为大气稳定性划分标准，根据实测数据分析了冬季、春季北京城区的大气稳定状态，验证了风速较大时近地层大气稳定状态趋于中性的规律，并确定基于大气稳定性的实测风速数据筛选标准。
　　(3)分别通过轮次检验法、RHVS法和摩擦速度比法对实测数据进行平稳性检验，对比分析表明，摩擦速度比法更适合本课题研究。在此基础上，按照平稳要求进行了实测数据的进一步筛选。
　　(4)对满足中性、平稳条件的实测数据进行统计分析，得到了北京城区近地平均风、脉动风特性，平均风特性包括风剖面、风向角、风攻角等，脉动风特性包括摩擦速度、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、水平向脉动风相关系数等;并根据超高层建筑和大跨屋盖建筑的特点，针对湍流度、阵风因子、湍流积分尺度等参量分别给出了适用于该类结构抗风性能研究的风场模型。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大气稳定性

1．2．2 平稳性检测

1．2．3 风场实测

1．2．4 现有研究的局限

1．3 本文主要研究内容概述

2 北京气象塔风速数据采集与统计

2．1 数据采集

2．2 数据处理方法

2．2．1 数据的预处理

2．2．2 超声风速处理方法

2．3 塔身干扰效应分析

2．4 超声风速数据统计

2．4．1 总体风速数据统计

2．4．2 年风速数据统计

2．4．3 月风速数据统计

2．5 本章小结

3 北京城区大气稳定性实测分析

3．1 引言

3．2 大气稳定性

3．2．1 大气稳定性的基本概念

3．2．2 大气稳定性参数及分类标准

3．3 北京城区的大气稳定特征

3．3．1 冬季大气稳定性特征

3．3．2 春季大气稳定性特征

3．3．3 强风原则风速下限

3．3．4 不同稳定状态下的湍流强度

3．4 本章小结

4 实测风速平稳性检验

4．1 引言

4．2 轮次检验法

4．2．1 轮次检验法基本原理

4．2．2 检测结果及方法评价

4．3 RHVS法

4．3．1 RHVS法介绍

4．3．2 RHVS法评价

4．4 摩擦速度比法

4．4．1 摩擦速度

4．4．2 摩擦速度计算方法对比

4．4．3 摩擦速度比法计算公式及方法评价

4．5 风速平稳性检测

4．5．1 风速时程样本选取

4．5．2 摩擦速度比法平稳性检测

4．5．3 RHVS法平稳性检测

4．6 本章小结

5 北京城区近地强风特性分析

5．1 引言

5．2 平均风特性

5．2．1 风速剖面

5．2．2 地貌参数估算

5．2．3 风攻角及风偏角

5．3 脉动风速均方差及摩擦速度的统计分析

5．3．1 脉动风速均方差的统计分析

5．3．2 摩擦速度的统计分析

5．3．3 脉动风速均方差与摩擦速度

5．4 湍流强度

5．4．1 湍流强度随平均风速的变化分析

5．4．2 三向湍流强度线性关系分析

5．4．3 湍流强度剖面的拟合

5．4．4 大尺度屋盖高度范围内的湍流强度

5．5 阵风因子

5．5．1 阵风因子随平均风速的变化分析

5．5．2 阵风因子随湍流度的变化分析

5．5．3 阵风因子剖面的拟合

5．5．4 大尺度屋盖高度范围内的阵风因子

5．6 湍流积分尺度

5．6．1 湍流积分尺度随平均风速的变化分析

5．6．2 湍流积分尺度随湍流强度的变化分析

5．6．3 湍流积分尺度剖面的拟合

5．6．4 大尺度屋盖高度范围内的湍流积分尺度

5．7 水平向脉动风相关系数

5．7．1 水平向脉动风相关系数概率分布

5．7．2 水平向脉动风相关系数与平均风速

5．7．3 水平向脉动风相关系数与积分尺度

5．8 本章小结

6 结论与展望

6．1 本文内容总结

6．2 后续研究展望

参考文献

附录

作者简历

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