苏通大桥实测典型台风特性对比分析

王　浩　邹仲钦　陶天友　茅建校　徐梓栋

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

我国海岸线绵长,东南沿海地区频繁受到太平洋台风的直接侵袭,使得大量工程结构在强风中发生破坏与倒塌.近年来台风灾害突出且频繁,风荷载成为影响该区域结构安全与性能的控制荷载[1].我国正在大力完善东部沿海地区路网建设,目前已规划或筹建了一系列超大规模的跨江、跨海大桥.随着桥梁跨度的增加,桥梁结构趋于轻柔,其对风荷载的敏感性也显著增加.为此,深入研究台风特性,对于完善现有桥梁抗风设计规范,保障桥梁结构的抗风安全性具有重要意义[1].

现场实测是结构风工程的主要研究方法之一.对某地区进行大量的风环境实测并对实测数据进行统计分析,是掌握一个地区风特性最有效的方法[2].国内外对台风气候模式的研究自20世纪70年代以来已取得了不少进展,一些对风工程研究较早的国家已经建立了部分风特性数据库,也获得了一些开展风特性现场实测的成功经验.Brownjohn等[3]基于亨伯桥的监测系统进行了大量的台风现场实测研究；Miyata等[4]基于明石海峡大桥的健康监测系统对多个台风特性进行了对比；Xu等[5]基于青马大桥健康监测系统研究了胜利台风的风特性；李爱群等[2]基于润扬大桥健康监测系统开展了桥址区强风特性研究.然而,由于台风路径的随机性,每次台风中心路径与桥址区距离各不相同,其对风特性的影响也不一样.当前,关于台风路径是否经过桥址区对风特性的影响研究较少,因此开展2类台风特性的实测与对比,对于掌握台风全局特性、保障结构抗风安全具有重要的现实意义.

基于苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)中的风环境监测子系统,本文选取“海鸥”台风和“海葵”台风期间桥址区实时记录的72 h风数据进行对比分析.研究2类台风的平均风速、平均风向、紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度和紊流功率谱密度等风特性参数,并将分析结果与《公路桥梁抗风设计规范》[6]进行对比,以期进一步加深对台风特性的理解,为完善现行桥梁抗风设计规范提供参考.

1　苏通大桥风环境监测子系统

苏通大桥主跨1 088 m,为目前世界第二大跨度斜拉桥.该桥地处亚欧大陆东部,具有明显的亚热带季风气候特点.该桥夏季频繁受到来自太平洋的台风侵袭,其抗风性能备受关注.为监测苏通大桥在服役过程中的性能状态,同时保障结构的安全性,苏通大桥安装了一套完善的结构健康监测系统.其中,风环境监测子系统由4个三维超声风速仪组成[7](见图1).风速仪MS4和MS4′分别布置在主梁跨中的上游与下游,离地高度为76.9 m；风速仪MS2和MS6分别布置在北塔顶与南塔顶,离地高度为306.0 m.风速仪均采用意大利Delta OHM公司生产的HD 2003型风速仪,风速量程为0～70 m/s,测试精度为0.01 m/s；风向测量范围为0°～359.9°,测试精度为0.01°.在桥址区风环境的实时监测中,正北方向被定义为0°风向,顺时针转动为正方向,采样频率设为1 Hz.

图1　苏通大桥风速仪布置图(单位：m)

2　“海鸥”与“海葵”台风简介

“海鸥”台风于2008-07-15下午在菲律宾吕宋岛北部以东的洋面上生成,于16日晚加强为强热带风暴,17日发展成为台风.17日21:00前后在台湾省宜兰县南部沿海第1次登陆,登陆时中心附近最大风力达12级.18日18:00在福建省霞浦县再次登陆,登陆时中心附近最大风力为10级,登陆后很快在霞浦境内减弱为热带风暴,逐渐转向偏北方向移动.19日傍晚进入江苏境内,并于22:00前后经过苏通桥址区(为方便描述,下文将风眼经过桥址区的台风称为近程台风).20日凌晨从江苏如东进入黄海南部海面.

“海葵”台风于2012-08-03上午在日本冲绳县东偏南方约1 360 km的西北太平洋洋面上生成,中心附近最大风力有8级.5日17：00前后进入中国东海东部海面,加强为强热带风暴.6日升级为台风,并于7日升级为强台风,最大风力达14级.8日3:00前后在浙江省宁波市象山县鹤浦镇登陆,近中心风力有14级,16:00左右台风中心到达距苏通桥址区最近处,距离约170 km(为方便描述,下文将风眼未经过桥址区的台风称为远程台风).8日16:00减弱为强热带风暴,并于21:00减弱为热带风暴.

3　苏通桥址区2类台风特性对比分析

苏通大桥风环境监测子系统成功记录了“海鸥”与“海葵”台风经过全过程的风速与风向数据.为对比二者特性,对2个台风均选取72 h时长的数据进行分析.其中,“海鸥”台风的数据样本区间为2008-07-18T0:00—2008-07-20T24:00；“海葵”台风的数据样本区间为2012-08-07T0:00—2012-08-09T24:00.

3.1　平均风速和风向

根据《公路桥梁抗风设计规范》[6],选取10 min为基本时距,采用矢量分解法[8]分别计算各台风的平均风速和平均风向.平均风速的计算公式为

(1)

平均风向的计算公式为

(2)

在此基础上,顺风向脉动风速u和横风向脉动风速v分别为

u=uxcosφ+uysinφ-U

(3a)

v=-uxsinφ+uycosφ

(3b)

“海鸥”和“海葵”台风的平均风速和平均风向如图2所示.由图可知,塔顶与跨中的实测风速与风向表现出明显的相似性,由此验证了苏通大桥风环境监测子系统的有效性.“海鸥”台风塔顶处的最大平均风速达20.75 m/s,而跨中最大平均风速为13.96 m/s.由于“海鸥”台风风眼经过桥址区,因此平均风速整体呈M形分布,平均风向在风眼经过前后发生了大幅变化.“海葵”台风的风眼未经过苏通桥址区,其移动过程中桥址区风向整体稳定,变化幅度在15°以内.“海葵”台风期间,苏通大桥塔顶处最大平均风速可达44.60 m/s,跨中最大平均风速为23.43 m/s.显然,桥址区“海葵”台风的实测风速等级大于“海鸥”台风,但其风向变化较“海鸥”台风稳定.

(a) “海鸥”台风平均风速

(b) “海葵”台风平均风速

(c) “海鸥”台风平均风向

(d) “海葵”台风平均风向

图2“海鸥”和“海葵”台风的平均风特性对比

3.2　紊流强度

紊流强度表示自然风中脉动风所占百分数,是确定结构脉动风荷载的关键参数[9].紊流强度为基本时距内脉动风速的均方根与顺风向平均风速的比值,即

(4)

式中,Iu和Iv分别为顺风向与横风向的紊流强度；σu和σv分别为顺风向与横风向脉动风速的均方根.

根据式(4),分别计算了“海鸥”和“海葵”台风经过桥址区时的紊流强度.塔顶和跨中的紊流强度见图3.由图可知,在塔顶、跨中处,顺风向与横风向紊流强度之间均存在一定的相关性.“海鸥”台风的紊流强度在28和45 h处产生较大幅度变化,第1个峰值主要是由风向突变所致,而第2个峰值主要是由于风眼区平均风速接近于0.“海葵”台风的紊流强度变化相对比较小,其最大值及平均值均小于“海鸥”台风.

(a) “海鸥”台风塔顶紊流强度

(b) “海葵”台风塔顶紊流强度

(c) “海鸥”台风跨中紊流强度

(d) “海葵”台风跨中紊流强度

图3“海鸥”和“海葵”台风的紊流强度

2类台风在苏通大桥塔顶与跨中处顺风向、横风向的紊流强度实测值与规范建议值[6]的对比见表1.规范规定A类场地在70～100 m高度取Iu=0.11,200 m以上高度取Iu=0.10,可见“海鸥”台风的紊流强度值远大于规范值,而“海葵”台风的紊流强度值低于规范值；同时,规范建议Iv∶Iu=0.88.对于“海鸥”台风,塔顶处Iv∶Iu=0.573,跨中处Iv∶Iu=0.873；对于“海葵”台风,塔顶处Iv∶Iu=0.241,跨中处Iv∶Iu=0.804,均低于规范建议值.可见,2类台风的紊流强度存在较大差异.

表1　实测紊流强度值与规范建议值的对比

3.3　阵风因子

风的脉动强度可用阵风因子表示,定义为阵风持续期内的平均风速与基本时距T内的平均风速的比值,通常取阵风持续期为3 s[8].顺风向阵风因子Gu和横风向阵风因子Gv的计算公式分别为

(5a)

(5b)

根据式(5),计算出“海鸥”台风和“海葵”台风经过桥址区时的阵风因子,结果见图4.

“海鸥”与“海葵”台风的阵风因子实测值与规范建议值[6]的对比见表2.规范建议A类场地水平加载长度1 000～1 200 m的结构阵风因子取值为1.17,可见“海鸥”与“海葵”台风的实测阵风因子均大于规范建议值,表明规范取值偏于不安全.“海鸥”台风的阵风因子较“海葵”台风大13.7%,说明近程台风的阵风效应更为明显.

表2　实测阵风因子值与规范建议值的对比

由图4可知,阵风因子变化表现出与紊流强度相似的规律,说明阵风因子和紊流强度之间存在着明显的相关性.近年来,国内外相关学者针对阵风因子和紊流强度之间的关系已开展了大量研究[10-14],目前可采用下式统一表达：

(a) “海鸥”台风塔顶阵风因子

(b) “海葵”台风塔顶阵风因子

(c) “海鸥”台风跨中阵风因子

(d) “海葵”台风跨中阵风因子

图4“海鸥”和“海葵”台风的跨中阵风因子

(6)

式中,Gu(tg,T)表示阵风持续时间为tg、时间间隔为T时的阵风因子；k1,k2为相关性拟合系数.文献[11]建议k1=0.5,k2=1.0；文献[12]建议k1=0.62,k2=1.27；文献[13]建议k1=0.5,k2=1.15；文献[14]建议k1=0.42,k2=1.0.

以顺风向为例,Gu与Iu的关系如图5所示.根据式(6)分别对各工况下紊流强度与阵风因子的关系进行拟合,结果见表3,并将拟合模型与各经验模型进行对比(见图5).由图可知,在紊流强度值处于0～0.3的有效区域内,除了文献[14]模型与“海鸥”台风跨中处的拟合曲线较接近、文献[11]模型与“海葵”台风跨中处的拟合曲线较接近以外,其余的经验模型都不能很好地表达阵风因子与紊流强度之间的关系,特别是紊流强度较小的塔顶处偏差较大.无论塔顶、跨中处,“海鸥”台风与“海葵”台风之间的拟合曲线都较为接近,说明阵风因子与紊流强度的关系在2类台风中表现出了一致性,但不同模型之间存在差异.

表3　紊流强度与阵风因子相关性拟合系数

(a) “海鸥”台风

(b) “海葵”台风

图5紊流强度与阵风因子相关性分析

3.4　紊流积分尺度

紊流积分尺度是量度脉动风中涡旋平均尺寸的重要参数[9].顺风向紊流积分尺度Lu和横风向紊流积分尺度Lv通过自相关函数积分法计算,即

(7)

根据式(7),分别计算出“海鸥”和“海葵”台风的紊流积分尺度.分析2个台风顺风向与横风向紊流积分尺度的概率密度,并采用对数正态分布模型对其进行拟合,拟合模型为

(8)

式中,x为随机变量；μ为变量的对数平均值；σ为变量的对数标准差.

塔顶与主梁跨中处紊流积分尺度的概率密度分别见图6和图7.由图可知,台风的紊流积分尺度存在一定的离散性,但总体符合对数正态分布.根据拟合结果,“海鸥”台风的对数均值小于“海葵”台风,且“海鸥”台风紊流积分尺度对数均方差大于“海葵”台风.紊流积分尺度的均值大小与平均风速相关,因而平均风速较大的“海葵”台风的紊流积分尺度大于“海鸥”台风.对数正态分布模型中的均方差可表征紊流比例的高低,与2类台风的紊流强度相对应.

(a) “海鸥”台风顺风向

(b) “海葵”台风顺风向

(c) “海鸥”台风横风向

(d) “海葵”台风横风向

图6塔顶紊流积分尺度概率分布

(a) “海鸥”台风顺风向

(b) “海葵”台风顺风向

(c) “海鸥”台风横风向

(d) “海葵”台风横风向

图7跨中紊流积分尺度概率分布

2类台风的实测紊流积分尺度与规范建议值[6]的对比见表4.规范规定70～100 m高度的紊流积分尺度取值为Lu=120 m,Lv=60 m,大于200 m高度取值为Lu=180 m,Lv=90 m.“海鸥”台风的塔顶顺风向及横风向紊流积分尺度平均值为288.95和234.22 m；跨中横风向紊流积分尺度平均值为67.84 m,与规范建议值接近,而顺风向紊流积分尺度平均值为90.61 m,小于规范建议值.“海葵”台风的塔顶顺风向及横风向紊流积分尺度平均值分别为357.04和251.96 m,跨中顺风向及横风向紊流积分尺度平均值为178.02和66.69 m,均大于规范建议值.由此可知,规范建议值未能较好地概括近程台风涡旋区的紊流积分尺度.

表4　实测紊流积分尺度值与规范建议值的对比　m

3.5　紊流功率谱密度

紊流功率谱密度描述了紊流能量在频域内的分布状态,是桥梁风致抖振计算的主要依据.目前,我国《公路桥梁抗风设计规范》[6]采用Kaimal谱作为顺风向风谱[10],其具体表达式为

(9)

(10)

针对“海鸥”与“海葵”台风,选取“海鸥”台风经过前(阶段Ⅰ)、第1个风速峰值处(阶段Ⅱ)、第2个风速峰值处(阶段Ⅲ)、台风经过后(阶段Ⅳ)4个阶段以及“海葵”台风经过前(阶段Ⅰ)、经过时(阶段Ⅱ)、经过后(阶段Ⅲ)3个阶段各1 h的风速样本进行紊流功率谱密度分析,结果见图8.“海鸥”台风选取的分析时段依次为21～22 h,39～40 h,55～56 h以及65～66 h,各时段的平均风速分别为11.96,17.75,17.59,9.75 m/s；“海葵”台风选取的分析时段依次为30～31 h,39～40 h以及55～56 h,对应的平均风速依次为28.28,40.91,21.32 m/s.

由图8可知,紊流功率谱密度值大小总体与台风平均风速相关,“海葵”台风阶段Ⅱ的紊流功率谱密度值最大,阶段Ⅰ次之,阶段Ⅲ最小,与3个阶段平均风速大小的相对关系一致.此外,紊流功率谱密度值还与紊流强度相关,“海鸥”台风阶段Ⅱ与阶段Ⅲ、阶段Ⅰ与阶段Ⅳ的平均风速均较为接近,但由于阶段Ⅲ的紊流强度值大于阶段Ⅱ、阶段Ⅳ的紊流强度值大于阶段Ⅰ,因此阶段Ⅲ与阶段Ⅳ的紊流功率谱密度值较大.“海鸥”台风和“海葵”台风的紊流功率谱密度函数与Kaimal谱并不吻合,Kaimal谱相对实测谱在低频段偏高,在高频段偏低,其中“海鸥”台风的实测谱与Kaimal谱的偏差较“海葵”台风更大,说明规范推荐的风谱模型在描述实际风谱时存在一定偏差.因此,开展大量现场实测以掌握桥址区的实测台风特性、建立起适用于我国各区域的风特性数据库,有着重要和紧迫的现实意义.

(a) “海鸥”台风

(b) “海葵”台风

4　结论

1) “海鸥”台风的风眼经过桥址区,平均风速整体呈M形分布,平均风向在风眼经过前后发生反转.“海葵”台风的风眼未经过桥址区,其移动过程中桥址区风向整体稳定,变化幅度在15°以内.

2) 与“海葵”台风相比,“海鸥”台风的阵风效应更强,紊流强度和阵风因子值更大,紊流积分尺度更小.在桥址区2类台风的各实测风特性参数均存在一定的差异性,且与规范取值存在一定偏差.

3) 阵风因子和紊流强度之间均存在很强的相关性,且拟合关系在2类台风中表现出了一致性,但与文献中所提出的经验模型的拟合关系存在偏差,说明不同风谱模型之间存在差异.

4) 紊流功率谱密度的大小不仅与台风风速有关,也与紊流强度有关.实测谱与规范推荐的风谱模型存在偏差,且“海鸥”台风的偏差较“海葵”台风大.因此,有必要进行特定区域的大量现场实测,以建立与实际相适应的风谱模型.

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