臺風外圍影響下的大跨度拱橋橋址區近地風特性實測研究

何旭輝+秦紅禧+鄒云峰+史康+李歡+方東旭??

摘 要：基于南廣鐵路肇慶西江特大橋風速風向監測子系統，對2015年6月臺風“鯨魚”氣候條件下的平均風速、平均風向以及脈動參數（紊流強度、陣風因子、紊流積分尺度、脈動風速功率譜等）開展實測研究.結果表明：臺風外圍影響下1 min平均風速波動幅度較大，呈現出跳躍性；實測紊流強度離散性較低，縱向紊流強度實測值0.253，紊流強度和陣風因子有隨平均風速的增大而減小的趨勢特征，且該趨勢在低平均風速段更為明顯；各方向上紊流積分尺度與規范相應推薦值差別較大，流場中主要以中小尺度渦旋為主，其離散度隨平均風速的增加略有增大；規范推薦的Kaimal 譜與實測水平向脈動功率譜函數并不能很好地符合，臺風“鯨魚”在低頻段和高頻段的譜值均偏高.實測表明臺風外圍風場具有一定相關性，采用Davenport假設會帶來一定誤差.

關鍵詞：臺風“鯨魚”；大跨度拱橋；場地實測；平均風特性；脈動風參數

中圖分類號：U238 文獻標志碼：A

適應走向海洋、建設“海上絲綢之路”的國家戰略，高速鐵路橋梁逐漸向更大規模和跨度的洲際跨海工程及連島工程邁進.跨徑的不斷增大，使跨海橋梁的結構剛度與阻尼不斷降低，對復雜氣候環境及強臺風等極端天氣的敏感性亦隨之增強[1-2].為真實把握臺風致災機理，為臺風影響區域內橋梁的設計與運營提供科學依據，需要對臺風特性（包括風場分布特征及其演變過程等）開展研究.現階段最直接且有效的研究手段是開展臺風風場特性的場地實測與分析.自上世紀60年代開始，衛星遙感技術在氣象領域的應用使得臺風監測和預報成為可能.70年代以來，國內外學者陸續開展了一些有價值的研究工作，如Miyata T等[3]利用日本明石海峽大橋上安裝的風速儀，對9807及9918號臺風數據進行了采集；Brownjohn J M W等[4]對英國亨伯橋一年間的場地實測風場數據進行了處理；Choi E C C等[5]對新加坡境內臺風天雷暴發生期間的陣風因子進行了分析；Masters F J等[6]利用9組可移動式觀測塔，對墨西哥灣的3個颶風風場進行了采集，獲取了平均風特性及脈動特性等重要風場信息；曹曙陽等[7]對臺風Maemi進行了場地實測并對其進行了較全面的研究；李秋勝等[8]對強臺風“黑格比”登陸全過程進行了監測和近地風場特性分析；王旭等[9]利用40 m測風塔對臺風“梅花”登陸過程中的風速風向等信息進行了全程記錄，并對其脈動風特性展開探討；龐加斌等[10]對臺風“派比安”進行了三維強風樣本采集，對沿海地區的強風特性和風譜模型進行了探索；王浩等[11]對臺風“韋帕”進行了現場實測研究，總結了橋址區的臺風特性及其規律；劉志文等[12]針對黃河復雜地形處的橋址區風場開展了現場實測，并系統研究了大風狀況下的脈動風紊流度、風剖面及風譜等；黃國慶[13]等基于普立特大橋橋位處的山區強風進行了數據采集，并對實測脈動風的非平穩與非高斯特性進行了探討.

對公路橋梁橋址區，對高速鐵路橋位處臺風近地特性的場地實測仍然非常匱乏.高速鐵路車橋耦合系統對于強風作用極為敏感，為保障其在復雜氣候環境不同時空分布特征條件下的安全運營，對橋址區強/臺風特性開展實測研究具有重大而緊迫的工程意義.

1 研究背景

新建南廣鐵路肇慶西江特大橋位于廣東省肇慶境內，已于2014年12月26日正式通車運營.該橋孔跨布置為（25+50+386+50+49） m，拱腳中心距450 m，矢跨比1/4，拱肋內傾角4.8°，橋面距拱頂73.53 m，鋼混結合梁體系，是國內首座中承式鐵路鋼箱提籃拱橋，同時也是目前世界高速鐵路最大跨度的中承式鋼箱提籃拱橋（圖1）.大橋跨越西江，兩側均為高山，屬于典型山區地形，受南海海洋氣候影響，是臺風活動侵襲經過的地區之一.年平均3.1次臺風影響，最高風力可達12級以上.

2 臺風實測概況

作為后期管養的重要輔助手段，大橋在建設時安裝了一套橋梁結構健康監測系統，其中包括風速風向監測子系統.該系統采用4臺英國Gill公司的Windsonic型二維超聲風速儀，分別布置于橋面上游邊跨兩側、跨中及拱頂，南寧（1#）和廣州側（3#）風速儀分別距跨中（2#）270 m和291 m，拱頂風速儀（4#）距橋面73.53 m.為避免風速儀的安裝干擾橋梁自身風場，采用鍍鋅鋼管對風速儀進行固定，跨中風速儀固定于跨中航標平臺并高出橋面1.5 m，其余風速儀的固定均各自高出橋面或拱頂3 m.風速儀編號及具體布置見圖1所示，現場布置見圖2所示.Windsonic風速測試范圍為0～60 m/s，量程精度±2%；風向測試范圍0～359°，精度±3°.風速儀采用全天候工作模式，采集頻率為1 Hz.

2015年第8號臺風“鯨魚”（英文名：Kujira，1508號熱帶氣旋）于6月21日11時在中國南海中部海面生成，當日23時左右加強為強熱帶風暴，并開始逐步向海南東部和廣東西部沿海區域靠近.23日9時左右，臺風外圍襲擊了廣東省肇慶市，至當日23時基本出境.安裝于西江特大橋之上的風速風向健康監測子系統實時采集了“鯨魚”臺風影響肇慶地區的全過程數據.本文根據臺風到達和離開橋址區的時間，選取了11：00～20：00之間大橋拱頂觀測點長達10 h的實測數據進行研究.盡管本次臺風未在橋址區正面登陸，且受橋址附近山區地形影響，風速已發生減弱，但所采集到的風速最高值仍有近24 m/s，仍然具有較強的臺風共性規律及工程研究價值.

3 臺風風場實測特性

大跨度橋梁結構主要受橋址區大氣邊界層內的風特性（即近地風特性）影響，從工程抗風角度出發，且為了研究方便，隨機的自然風可以分解成不隨時間變化的平均風以及隨時間變化的零均值脈動風兩部分的疊加[14-15].由于本次臺風經行橋址區的持時較短，為更真實、精確地獲得橋位處實測臺風的非平穩脈動特性，避免出現削峰現象對實際臺風風速造成低估，選擇t=1 min作為基本時距對整個數據樣本進行分割處理，并剔除數據樣本中由各類原因所引起的野點干擾.考慮到傳統的經驗模態分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）存在邊端效應，會在較大程度上制約時變趨勢項的提取精度[16]，本文選用了精度更高的db10母函數進行小波變換分析（Wavelet Transform，WT）[17]，根據小波能量的突變情況確定時變均值分解的準確層次，并通過對該分解層低頻近似系數做離散正交小波逆變換，得到實測臺風風速樣本的準確時變均值，從而完成對南廣高速鐵路肇慶西江特大橋拱頂測點實測臺風數據的計算研究.

3.1 平均風速與平均風向

平均風特性包括平均風速、平均風向以及風速沿高度的分布規律等.利用小波變換方法[18]，得到臺風“鯨魚”襲擊期間，橋址區實測臺風樣本的1 min平均風速（圖3）及1 min平均風向玫瑰圖曲線（圖4）如下所示.

由圖3可知，臺風“鯨魚”外圍經行橋址區過程中，1 min平均風速在整個0 m/s～20 m/s范圍內波動幅度較大，且局部區域具有一定跳躍性，最大風速值為19.7 m/s（第一次峰值），出現在第272個樣本點，對應時段為23日下午15時31分～33分.臺風期間風速變化顯著，11時～14時段內平均風速呈現交替變化，波動較大，但總體分布于3.5 m/s～6.5 m/s之間；15時～16時40分左右，平均風速在短時內劇烈攀升，并在約30 min之內先后經歷3次峰值，分別為19.7 m/s，15.1 m/s以及12.8 m/s；自16時40分起，臺風風速開始急劇衰減，至17時～17時30分左右，平均風速甚至趨近于0 m/s，之后在臺風出境之前約3個小時之內，平均風速又有回升，但總體保持在4 m/s左右上下波動，最大值約6.2 m/s.總結起來，臺風外圍持時短，且與通常意義上的臺風三段模型及七段模型均有不同，外圍風場存在一個短時強烈階躍，并伴隨風速的逐級衰減，風速跳躍性強，甚至出現短時風速為零的時段.

圖4給出了西江特大橋主拱拱頂在臺風“鯨魚”期間的1 min平均風向玫瑰圖，可以看出，1 min平均風向主要出現在SSE，SE和S 3個方向，風向頻率分別為21.8%，32.2%和23.1%，風向變化相對較穩定，大橋在臺風過境期間主要受東南風影響較大.

3.2 紊流強度和陣風因子

臺風“鯨魚”過境期間，西江特大橋拱頂實測紊流強度和陣風因子的概率分布如圖5和圖6所示.圖5 中橫坐標每隔0.10作為一個計算區間（例如橫坐標0.30 表示計算區間為[0.20， 0.40]，橫坐標0.50表示計算區間為[0.40， 0.60]，以此類推），縱坐標表示對應的概率分布值（下文中的概率分布圖橫坐標、縱坐標含義相同）.由于我國規范[14]采用10 min作為基本時距，本文為真實體現臺風的最大風速并更為準確地描述其短時內的脈動風特性，因而取1 min作為基本時距.據圖5和圖7可知，紊流強度離散性較低，實測縱向和橫向紊流強度平均值分別為0.253及0.226.文獻[19]基于1 min平均時距計算了多組典型臺風的縱向紊流強度的平均值（海鷗：0.285，薔薇：0.353，鳳凰：0.420）.本文實測紊流強度與文獻[19]實測結果在規律上具有較好的一致性.實測結果表明橋址區流場處于高紊流度狀態，這點在進行該橋臺風荷載作用下的響應分析時應著重關注.

作為描述自然風脈動強度的重要參數，紊流強度和陣風因子各自的方法和側重點雖有不同，但二者之間仍然具有密切的線性比例關系.圖11（a）和圖11（b）分別給出了縱、橫向紊流強度與相應的縱、橫向陣風因子之間的相關性及擬合關系式，可以看出陣風因子隨著紊流度的增大有增大趨勢，在表征脈動風湍流特性過程中，兩者在趨勢上具有一致性.

3.3 紊流積分尺度

實測紊流積分尺度的概率分布如圖12所示.據圖12和圖13可知，臺風“鯨魚”實測積分尺度概率分布較為集中，其中縱向積分尺度Lxu最大值、最小值分別為206.77 m，5.33 m，平均值為53.59 m；橫向紊流積分尺度Lxv最大值、最小值分別為159.16 m，4.24 m，平均值為32.92 m.實測各方向上的紊流積分尺度與規范的相應推薦值差別較大，主要是因為臺風在過境期間受橋址區峽谷復雜地形影響，近地層大氣處于高紊流度狀態，流場中以小尺度渦旋為主.

紊流積分尺度與平均風速及紊流強度之間的相關性描述分別見圖13和圖14所示.由圖可知，紊流積分尺度與平均風速之間相關性較強，表現出隨平均風速的減小而降低的趨勢.其原因在于，當流場風速變小時，近地層中的大尺度渦旋迅速破碎轉化為一系列的小尺度渦旋，此時風場脈動特性增強.此外還發現，隨著平均風速的增加，其積分尺度的離散度也略有增大.無論是縱向或橫向分量，紊流積分尺度均隨該方向的紊流強度的增加而快速減小，且這一趨勢在縱向分量中表現更為明顯.

臺風期間實測大橋拱頂典型風速時段水平向功率譜與Kaimal譜對比見圖15（a）和圖16（a）所示.可以發現，規范推薦的Kaimal 譜與實測“鯨魚”臺風水平向脈動風譜函數并不能很好地符合.以順風向為例，實測風譜除了在[0.000 5， 0.001 6]及[0.474， 0.500]頻段大于Kaimal之外，其余頻段均偏低，表明實際條件下臺風“鯨魚”具有低頻段和高頻段均偏高的頻譜特征.

同時，通過對臺風峰值經過前、經過時及經過后典型風速段（時段平均風速分別為6.37 m/s，12.32 m/s，3.57 m/s）縱、橫向脈動風譜的對比研究，探討了臺風過境前后橋址區水平向脈動風譜的變化規律.分析結果表明，臺風經行期間實測脈動風譜值隨

相比于Davenport公式推薦值，低頻段縱、橫向拱頂與跨中兩處測點的實測互相關系數均小于推薦值，而高頻段實測值明顯大于推薦值，這與Davenport公式存在差距，實測表明臺風外圍風場具有一定的相關性，在采用Davenport假設時會帶來一定的誤差.

4 結 論

基于肇慶西江特大橋風速風向監測子系統，對臺風“鯨魚”期間橋址區實測數據進行分析研究，得到以下主要結論：

1）臺風“鯨魚”外圍影響期間，實測風速樣本表現出較強的非高斯特性，1 min平均風速波動幅度較大，局部區域呈現出跳躍性；臺風期間以東南風為主，風向變化相對穩定.

2）實測紊流強度離散性較低，橋址區流場處于高紊流度狀態，縱向紊流強度實測值0.253，與相關文獻結果吻合較好，但高出規范推薦值2倍多，表明規范可能會在一定程度上低估臺風、突變風等極端風的脈動特性；實測Iv=0.822 6Iu，略小于但接近于規范推薦的Iv=0.88Iu；紊流度和陣風因子有隨平均風速增大而減小的趨勢特征，且該趨勢在低平均風速段更為明顯，并隨風速的增加而變緩.

3）臺風外圍實測縱、橫向積分尺度平均值分別為Lxu=53.59 m，Lxv=32.92 m，分別為規范推薦值的0.33倍、0.41倍，流場以中小尺度渦旋為主；紊流積分尺度有隨平均風速減小而降低的趨勢，其離散度隨平均風速的增加也略有增大.

4）規范推薦的Kaimal 譜與實測水平向脈動功率譜函數并不能很好地符合，實測臺風“鯨魚”在低頻段和高頻段的譜值均偏高.臺風經行期間實測脈動風譜值隨平均風速的提高而逐漸增大，呈現一定的演化特征.

5）在臺風外圍影響下，拱頂與跨中測點在零頻率處的縱、橫向實測互相關系數值分別為0.77和0.62，且在計算頻域內，前者的互相關系數整體略大于后者，并均隨頻率的增加而降低；實測表明臺風外圍風場具有一定的相關性，采用Davenport假設會帶來一定誤差.

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