台风外围影响下的大跨度拱桥桥址区近地风特性实测研究

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摘 要：基于南广铁路肇庆西江特大桥风速风向监测子系统，对2015年6月台风“鲸鱼”气候条件下的平均风速、平均风向以及脉动参数（紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度、脉动风速功率谱等）开展实测研究.结果表明：台风外围影响下1 min平均风速波动幅度较大，呈现出跳跃性；实测紊流强度离散性较低，纵向紊流强度实测值0.253，紊流强度和阵风因子有随平均风速的增大而减小的趋势特征，且该趋势在低平均风速段更为明显；各方向上紊流积分尺度与规范相应推荐值差别较大，流场中主要以中小尺度涡旋为主，其离散度随平均风速的增加略有增大；规范推荐的Kaimal 谱与实测水平向脉动功率谱函数并不能很好地符合，台风“鲸鱼”在低频段和高频段的谱值均偏高.实测表明台风外围风场具有一定相关性，采用Davenport假设会带来一定误差.

关键词：台风“鲸鱼”；大跨度拱桥；场地实测；平均风特性；脉动风参数

中图分类号：U238文献标志码：A

适应走向海洋、建设“海上丝绸之路”的国家战略，高速铁路桥梁逐渐向更大规模和跨度的洲际跨海工程及连岛工程迈进.跨径的不断增大，使跨海桥梁的结构刚度与阻尼不断降低，对复杂气候环境及强台风等极端天气的敏感性亦随之增强[1-2].为真实把握台风致灾机理，为台风影响区域内桥梁的设计与运营提供科学依据，需要对台风特性（包括风场分布特征及其演变过程等）开展研究.现阶段最直接且有效的研究手段是开展台风风场特性的场地实测与分析.自上世纪60年代开始，卫星遥感技术在气象领域的应用使得台风监测和预报成为可能.70年代以来，国内外学者陆续开展了一些有价值的研究工作，如Miyata T等[3]利用日本明石海峡大桥上安装的风速仪，对9807及9918号台风数据进行了采集；Brownjohn J M W等[4]对英国亨伯桥一年间的场地实测风场数据进行了处理；Choi E C C等[5]对新加坡境内台风天雷暴发生期间的阵风因子进行了分析；Masters F J等[6]利用9组可移动式观测塔，对墨西哥湾的3个飓风风场进行了采集，获取了平均风特性及脉动特性等重要风场信息；曹曙阳等[7]对台风Maemi进行了场地实测并对其进行了较全面的研究；李秋胜等[8]对强台风“黑格比”登陆全过程进行了监测和近地风场特性分析；王旭等[9]利用40 m测风塔对台风“梅花”登陆过程中的风速风向等信息进行了全程记录，并对其脉动风特性展开探讨；庞加斌等[10]对台风“派比安”进行了三维强风样本采集，对沿海地区的强风特性和风谱模型进行了探索；王浩等[11]对台风“韦帕”进行了现场实测研究，总结了桥址区的台风特性及其规律；刘志文等[12]針对黄河复杂地形处的桥址区风场开展了现场实测，并系统研究了大风状况下的脉动风紊流度、风剖面及风谱等；黄国庆[13]等基于普立特大桥桥位处的山区强风进行了数据采集，并对实测脉动风的非平稳与非高斯特性进行了探讨.

对公路桥梁桥址区，对高速铁路桥位处台风近地特性的场地实测仍然非常匮乏.高速铁路车桥耦合系统对于强风作用极为敏感，为保障其在复杂气候环境不同时空分布特征条件下的安全运营，对桥址区强/台风特性开展实测研究具有重大而紧迫的工程意义.

1 研究背景

新建南广铁路肇庆西江特大桥位于广东省肇庆境内，已于2014年12月26日正式通车运营.该桥孔跨布置为（25+50+386+50+49） m，拱脚中心距450 m，矢跨比1/4，拱肋内倾角4.8°，桥面距拱顶73.53 m，钢混结合梁体系，是国内首座中承式铁路钢箱提篮拱桥，同时也是目前世界高速铁路最大跨度的中承式钢箱提篮拱桥（图1）.大桥跨越西江，两侧均为高山，属于典型山区地形，受南海海洋气候影响，是台风活动侵袭经过的地区之一.年平均3.1次台风影响，最高风力可达12级以上.

2 台风实测概况

作为后期管养的重要辅助手段，大桥在建设时安装了一套桥梁结构健康监测系统，其中包括风速风向监测子系统.该系统采用4台英国Gill公司的Windsonic型二维超声风速仪，分别布置于桥面上游边跨两侧、跨中及拱顶，南宁（1#）和广州侧（3#）风速仪分别距跨中（2#）270 m和291 m，拱顶风速仪（4#）距桥面73.53 m.为避免风速仪的安装干扰桥梁自身风场，采用镀锌钢管对风速仪进行固定，跨中风速仪固定于跨中航标平台并高出桥面1.5 m，其余风速仪的固定均各自高出桥面或拱顶3 m.风速仪编号及具体布置见图1所示，现场布置见图2所示.Windsonic风速测试范围为0～60 m/s，量程精度±2%；风向测试范围0～359°，精度±3°.风速仪采用全天候工作模式，采集频率为1 Hz.

2015年第8号台风“鲸鱼”（英文名：Kujira，1508号热带气旋）于6月21日11时在中国南海中部海面生成，当日23时左右加强为强热带风暴，并开始逐步向海南东部和广东西部沿海区域靠近.23日9时左右，台风外围袭击了广东省肇庆市，至当日23时基本出境.安装于西江特大桥之上的风速风向健康监测子系统实时采集了“鲸鱼”台风影响肇庆地区的全过程数据.本文根据台风到达和离开桥址区的时间，选取了11：00～20：00之间大桥拱顶观测点长达10 h的实测数据进行研究.尽管本次台风未在桥址区正面登陆，且受桥址附近山区地形影响，风速已发生减弱，但所采集到的风速最高值仍有近24 m/s，仍然具有较强的台风共性规律及工程研究价值.

3 台风风场实测特性

大跨度桥梁结构主要受桥址区大气边界层内的风特性（即近地风特性）影响，从工程抗风角度出发，且为了研究方便，随机的自然风可以分解成不随时间变化的平均风以及随时间变化的零均值脉动风两部分的叠加[14-15].由于本次台风经行桥址区的持时较短，为更真实、精确地获得桥位处实测台风的非平稳脉动特性，避免出现削峰现象对实际台风风速造成低估，选择t=1 min作为基本时距对整个数据样本进行分割处理，并剔除数据样本中由各类原因所引起的野点干扰.考虑到传统的经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）存在边端效应，会在较大程度上制约时变趋势项的提取精度[16]，本文选用了精度更高的db10母函数进行小波变换分析（Wavelet Transform，WT）[17]，根据小波能量的突变情况确定时变均值分解的准确层次，并通过对该分解层低频近似系数做离散正交小波逆变换，得到实测台风风速样本的准确时变均值，从而完成对南广高速铁路肇庆西江特大桥拱顶测点实测台风数据的计算研究.

3.1 平均风速与平均风向

平均风特性包括平均风速、平均风向以及风速沿高度的分布规律等.利用小波变换方法[18]，得到台风“鲸鱼”袭击期间，桥址区实测台风样本的1 min平均风速（图3）及1 min平均风向玫瑰图曲线（图4）如下所示.

由图3可知，台风“鲸鱼”外围经行桥址区过程中，1 min平均风速在整个0 m/s～20 m/s范围内波动幅度较大，且局部区域具有一定跳跃性，最大风速值为19.7 m/s（第一次峰值），出现在第272个样本点，对应时段为23日下午15时31分～33分.台风期间风速变化显著，11时～14时段内平均风速呈现交替变化，波动较大，但总体分布于3.5 m/s～6.5 m/s之间；15时～16时40分左右，平均风速在短时内剧烈攀升，并在约30 min之内先后经历3次峰值，分别为19.7 m/s，15.1 m/s以及12.8 m/s；自16时40分起，台风风速开始急剧衰减，至17时～17时30分左右，平均风速甚至趋近于0 m/s，之后在台风出境之前约3个小时之内，平均风速又有回升，但总体保持在4 m/s左右上下波动，最大值约6.2 m/s.总结起来，台风外围持时短，且与通常意义上的台风三段模型及七段模型均有不同，外围风场存在一个短时强烈阶跃，并伴随风速的逐级衰减，风速跳跃性强，甚至出现短时风速为零的时段.

图4给出了西江特大桥主拱拱顶在台风“鲸鱼”期间的1 min平均风向玫瑰图，可以看出，1 min平均风向主要出现在SSE，SE和S 3个方向，风向频率分别为21.8%，32.2%和23.1%，风向变化相对较稳定，大桥在台风过境期间主要受东南风影响较大.

3.2 紊流强度和阵风因子

台风“鲸鱼”过境期间，西江特大桥拱顶实测紊流强度和阵风因子的概率分布如图5和图6所示.图5 中横坐标每隔0.10作为一个计算区间（例如横坐标0.30 表示计算区间为[0.20， 0.40]，横坐标0.50表示计算区间为[0.40， 0.60]，以此类推），纵坐标表示对应的概率分布值（下文中的概率分布图横坐标、纵坐标含义相同）.由于我国规范[14]采用10 min作为基本时距，本文为真实体现台风的最大风速并更为准确地描述其短时内的脉动风特性，因而取1 min作为基本时距.据图5和图7可知，紊流强度离散性较低，实测纵向和横向紊流强度平均值分别为0.253及0.226.文献[19]基于1 min平均时距计算了多组典型台风的纵向紊流强度的平均值（海鷗：0.285，蔷薇：0.353，凤凰：0.420）.本文实测紊流强度与文献[19]实测结果在规律上具有较好的一致性.实测结果表明桥址区流场处于高紊流度状态，这点在进行该桥台风荷载作用下的响应分析时应着重关注.

作为描述自然风脉动强度的重要参数，紊流强度和阵风因子各自的方法和侧重点虽有不同，但二者之间仍然具有密切的线性比例关系.图11（a）和图11（b）分别给出了纵、横向紊流强度与相应的纵、横向阵风因子之间的相关性及拟合关系式，可以看出阵风因子随着紊流度的增大有增大趋势，在表征脉动风湍流特性过程中，两者在趋势上具有一致性.

3.3 紊流积分尺度

实测紊流积分尺度的概率分布如图12所示.据图12和图13可知，台风“鲸鱼”实测积分尺度概率分布较为集中，其中纵向积分尺度Lxu最大值、最小值分别为206.77 m，5.33 m，平均值为53.59 m；横向紊流积分尺度Lxv最大值、最小值分别为159.16 m，4.24 m，平均值为32.92 m.实测各方向上的紊流积分尺度与规范的相应推荐值差别较大，主要是因为台风在过境期间受桥址区峡谷复杂地形影响，近地层大气处于高紊流度状态，流场中以小尺度涡旋为主.

紊流积分尺度与平均风速及紊流强度之间的相关性描述分别见图13和图14所示.由图可知，紊流积分尺度与平均风速之间相关性较强，表现出随平均风速的减小而降低的趋势.其原因在于，当流场风速变小时，近地层中的大尺度涡旋迅速破碎转化为一系列的小尺度涡旋，此时风场脉动特性增强.此外还发现，随着平均风速的增加，其积分尺度的离散度也略有增大.无论是纵向或横向分量，紊流积分尺度均随该方向的紊流强度的增加而快速减小，且这一趋势在纵向分量中表现更为明显.

台风期间实测大桥拱顶典型风速时段水平向功率谱与Kaimal谱对比见图15（a）和图16（a）所示.可以发现，规范推荐的Kaimal 谱与实测“鲸鱼”台风水平向脉动风谱函数并不能很好地符合.以顺风向为例，实测风谱除了在[0.000 5， 0.001 6]及[0.474， 0.500]频段大于Kaimal之外，其余频段均偏低，表明实际条件下台风“鲸鱼”具有低频段和高频段均偏高的频谱特征.

同时，通过对台风峰值经过前、经过时及经过后典型风速段（时段平均风速分别为6.37 m/s，12.32 m/s，3.57 m/s）纵、横向脉动风谱的对比研究，探讨了台风过境前后桥址区水平向脉动风谱的变化规律.分析结果表明，台风经行期间实测脉动风谱值随

相比于Davenport公式推荐值，低频段纵、横向拱顶与跨中两处测点的实测互相关系数均小于推荐值，而高频段实测值明显大于推荐值，这与Davenport公式存在差距，实测表明台风外围风场具有一定的相关性，在采用Davenport假设时会带来一定的误差.

4 结 论

基于肇庆西江特大桥风速风向监测子系统，对台风“鲸鱼”期间桥址区实测数据进行分析研究，得到以下主要结论：

1）台风“鲸鱼”外围影响期间，实测风速样本表现出较强的非高斯特性，1 min平均风速波动幅度较大，局部区域呈现出跳跃性；台风期间以东南风为主，风向变化相对稳定.

2）实测紊流强度离散性较低，桥址区流场处于高紊流度状态，纵向紊流强度实测值0.253，与相关文献结果吻合较好，但高出规范推荐值2倍多，表明规范可能会在一定程度上低估台风、突变风等极端风的脉动特性；实测Iv=0.822 6Iu，略小于但接近于规范推荐的Iv=0.88Iu；紊流度和阵风因子有随平均风速增大而减小的趋势特征，且该趋势在低平均风速段更为明显，并随风速的增加而变缓.

3）台风外围实测纵、横向积分尺度平均值分别为Lxu=53.59 m，Lxv=32.92 m，分别为规范推荐值的0.33倍、0.41倍，流场以中小尺度涡旋为主；紊流积分尺度有随平均风速减小而降低的趋势，其离散度随平均风速的增加也略有增大.

4）规范推荐的Kaimal 谱与实测水平向脉动功率谱函数并不能很好地符合，实测台风“鲸鱼”在低频段和高频段的谱值均偏高.台风经行期间实测脉动风谱值随平均风速的提高而逐渐增大，呈现一定的演化特征.

5）在台风外围影响下，拱顶与跨中测点在零频率处的纵、横向实测互相关系数值分别为0.77和0.62，且在计算频域内，前者的互相关系数整体略大于后者，并均随频率的增加而降低；实测表明台风外围风场具有一定的相关性，采用Davenport假设会带来一定误差.

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