【摘 要】
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下击暴流是在雷暴天气中冷热空气在高空对流后以非常高的速度冲击地面并迅速改变方向,在地面向四周水平加速并扩展的一种气流过程。高耸桅杆结构本身的高柔、低阻尼特性致使其对风荷载作用极为敏感,导致容易在下击暴流等强风作用下出现振动疲劳损伤以及极端情形下的倒塌破坏。本文基于356m高的深圳气象梯度塔风速和加速度实测数据,围绕下击暴流风特性及其作用下气象梯度塔的响应特性展开分析,主要开展了以下几个方面的工作:
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51978285）； 广东省现代土木工程技术重点实验室（2021B1212040003）；
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下击暴流是在雷暴天气中冷热空气在高空对流后以非常高的速度冲击地面并迅速改变方向,在地面向四周水平加速并扩展的一种气流过程。高耸桅杆结构本身的高柔、低阻尼特性致使其对风荷载作用极为敏感,导致容易在下击暴流等强风作用下出现振动疲劳损伤以及极端情形下的倒塌破坏。本文基于356m高的深圳气象梯度塔风速和加速度实测数据,围绕下击暴流风特性及其作用下气象梯度塔的响应特性展开分析,主要开展了以下几个方面的工作:（1）基于实测资料,筛选得到了29组下击暴流风速数据,分析了滑动平均时长对下击暴流过程平均风速和脉动风速分解的影响,确定了T=60s的滑动平均周期是分离平均风和残余脉动比较合理的选择;将每个样本平均风速时间历程按照其强度分为爬升段、峰值段、下降段,讨论了不同阶段风特性的差异。（2）统计分析了下击暴流平均风速时程及风速剖面的时变特性,研究了下击暴流的平均风速、平均风向角以及剖面演化规律。结果表明:阵风锋面持续时间与风速大小存在负相关的关系,上升段持时最短,不足峰值段的1/4,也不到下降段的1/3;归一化时程曲线的形状随着高度增加而逐渐趋于平缓;下击暴流实测数据的爬升段、峰值段、下降段归一化风速剖面在最大风速高度以下均与Vicroy以及Oseguera＆Bowles经验剖面模型较为吻合;在最大风速高度以上,上升段实测剖面与Wood经验剖面模型比较吻合,峰值段实测剖面与Oseguera＆Bowles经验剖面模型比较吻合,下降段则与三个常见经验剖面模型偏差都比较大。（3）研究了下击暴流风速的概率密度分布、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度以及风谱等脉动特性的一般规律。结果表明:下击暴流脉动风速的非高斯特性十分显著,其峰度系数远大于3;顺风向湍流强度剖面随高度在数值上的散布程度呈现出“之”字形趋势,主要分布在0.18～0.25之间;阵风因子与平均风速表现出负相关性,而与湍流强度则呈正相关关系;湍流积分尺度随高度增加而增大,无论是顺风向、横风向还是竖向下降段湍流积分尺度都远小于上升段与峰值段;另外,实测下击暴流功率谱除了在40m高度以下的高频部分与Von Karman谱和Solari谱比较接近之外,其他高度均偏差较大。（4）研究了下击暴流作用下桅杆结构的风致响应,并结合ARMA、ITD、SSI以及一种改进的VMD方法对气象梯度塔的振动模态参数进行识别。研究表明:不同高度梯度塔的加速度响应与雷暴风具有一定的同步性,但梯度塔的最大响应并未发生在最大风速时刻,而是出现在雷暴风的上升段;下击暴流作用下气象梯度塔的加速度响应概率密度分布依旧符合高斯特性;气象梯度塔实测频率与有限元分析结果基本吻合,不同识别方法计算得到的阻尼比离散性较大,平均值处于0.53～2.54%之间,结构第二阶和第五阶阻尼最小,均小于1%。
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