蘇通大橋?qū)崪y典型臺風特性對比分析

王　浩　鄒仲欽　陶天友　茅建校　徐梓棟

(東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)

我國海岸線綿長,東南沿海地區(qū)頻繁受到太平洋臺風的直接侵襲,使得大量工程結(jié)構(gòu)在強風中發(fā)生破壞與倒塌.近年來臺風災害突出且頻繁,風荷載成為影響該區(qū)域結(jié)構(gòu)安全與性能的控制荷載[1].我國正在大力完善東部沿海地區(qū)路網(wǎng)建設,目前已規(guī)劃或籌建了一系列超大規(guī)模的跨江、跨海大橋.隨著橋梁跨度的增加,橋梁結(jié)構(gòu)趨于輕柔,其對風荷載的敏感性也顯著增加.為此,深入研究臺風特性,對于完善現(xiàn)有橋梁抗風設計規(guī)范,保障橋梁結(jié)構(gòu)的抗風安全性具有重要意義[1].

現(xiàn)場實測是結(jié)構(gòu)風工程的主要研究方法之一.對某地區(qū)進行大量的風環(huán)境實測并對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,是掌握一個地區(qū)風特性最有效的方法[2].國內(nèi)外對臺風氣候模式的研究自20世紀70年代以來已取得了不少進展,一些對風工程研究較早的國家已經(jīng)建立了部分風特性數(shù)據(jù)庫,也獲得了一些開展風特性現(xiàn)場實測的成功經(jīng)驗.Brownjohn等[3]基于亨伯橋的監(jiān)測系統(tǒng)進行了大量的臺風現(xiàn)場實測研究；Miyata等[4]基于明石海峽大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)對多個臺風特性進行了對比；Xu等[5]基于青馬大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究了勝利臺風的風特性；李愛群等[2]基于潤揚大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)開展了橋址區(qū)強風特性研究.然而,由于臺風路徑的隨機性,每次臺風中心路徑與橋址區(qū)距離各不相同,其對風特性的影響也不一樣.當前,關(guān)于臺風路徑是否經(jīng)過橋址區(qū)對風特性的影響研究較少,因此開展2類臺風特性的實測與對比,對于掌握臺風全局特性、保障結(jié)構(gòu)抗風安全具有重要的現(xiàn)實意義.

基于蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHMS)中的風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng),本文選取“海鷗”臺風和“?？迸_風期間橋址區(qū)實時記錄的72 h風數(shù)據(jù)進行對比分析.研究2類臺風的平均風速、平均風向、紊流強度、陣風因子、紊流積分尺度和紊流功率譜密度等風特性參數(shù),并將分析結(jié)果與《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[6]進行對比,以期進一步加深對臺風特性的理解,為完善現(xiàn)行橋梁抗風設計規(guī)范提供參考.

1　蘇通大橋風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

蘇通大橋主跨1 088 m,為目前世界第二大跨度斜拉橋.該橋地處亞歐大陸東部,具有明顯的亞熱帶季風氣候特點.該橋夏季頻繁受到來自太平洋的臺風侵襲,其抗風性能備受關(guān)注.為監(jiān)測蘇通大橋在服役過程中的性能狀態(tài),同時保障結(jié)構(gòu)的安全性,蘇通大橋安裝了一套完善的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng).其中,風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)由4個三維超聲風速儀組成[7](見圖1).風速儀MS4和MS4′分別布置在主梁跨中的上游與下游,離地高度為76.9 m；風速儀MS2和MS6分別布置在北塔頂與南塔頂,離地高度為306.0 m.風速儀均采用意大利Delta OHM公司生產(chǎn)的HD 2003型風速儀,風速量程為0～70 m/s,測試精度為0.01 m/s；風向測量范圍為0°～359.9°,測試精度為0.01°.在橋址區(qū)風環(huán)境的實時監(jiān)測中,正北方向被定義為0°風向,順時針轉(zhuǎn)動為正方向,采樣頻率設為1 Hz.

圖1　蘇通大橋風速儀布置圖(單位：m)

2　“海鷗”與“?？迸_風簡介

“海鷗”臺風于2008-07-15下午在菲律賓呂宋島北部以東的洋面上生成,于16日晚加強為強熱帶風暴,17日發(fā)展成為臺風.17日21:00前后在臺灣省宜蘭縣南部沿海第1次登陸,登陸時中心附近最大風力達12級.18日18:00在福建省霞浦縣再次登陸,登陸時中心附近最大風力為10級,登陸后很快在霞浦境內(nèi)減弱為熱帶風暴,逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向移動.19日傍晚進入江蘇境內(nèi),并于22:00前后經(jīng)過蘇通橋址區(qū)(為方便描述,下文將風眼經(jīng)過橋址區(qū)的臺風稱為近程臺風).20日凌晨從江蘇如東進入黃海南部海面.

“?？迸_風于2012-08-03上午在日本沖繩縣東偏南方約1 360 km的西北太平洋洋面上生成,中心附近最大風力有8級.5日17：00前后進入中國東海東部海面,加強為強熱帶風暴.6日升級為臺風,并于7日升級為強臺風,最大風力達14級.8日3:00前后在浙江省寧波市象山縣鶴浦鎮(zhèn)登陸,近中心風力有14級,16:00左右臺風中心到達距蘇通橋址區(qū)最近處,距離約170 km(為方便描述,下文將風眼未經(jīng)過橋址區(qū)的臺風稱為遠程臺風).8日16:00減弱為強熱帶風暴,并于21:00減弱為熱帶風暴.

3　蘇通橋址區(qū)2類臺風特性對比分析

蘇通大橋風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)成功記錄了“海鷗”與“海葵”臺風經(jīng)過全過程的風速與風向數(shù)據(jù).為對比二者特性,對2個臺風均選取72 h時長的數(shù)據(jù)進行分析.其中,“海鷗”臺風的數(shù)據(jù)樣本區(qū)間為2008-07-18T0:00—2008-07-20T24:00；“?？迸_風的數(shù)據(jù)樣本區(qū)間為2012-08-07T0:00—2012-08-09T24:00.

3.1　平均風速和風向

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[6],選取10 min為基本時距,采用矢量分解法[8]分別計算各臺風的平均風速和平均風向.平均風速的計算公式為

(1)

平均風向的計算公式為

(2)

在此基礎上,順風向脈動風速u和橫風向脈動風速v分別為

u=uxcosφ+uysinφ-U

(3a)

v=-uxsinφ+uycosφ

(3b)

“海鷗”和“?？迸_風的平均風速和平均風向如圖2所示.由圖可知,塔頂與跨中的實測風速與風向表現(xiàn)出明顯的相似性,由此驗證了蘇通大橋風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)的有效性.“海鷗”臺風塔頂處的最大平均風速達20.75 m/s,而跨中最大平均風速為13.96 m/s.由于“海鷗”臺風風眼經(jīng)過橋址區(qū),因此平均風速整體呈M形分布,平均風向在風眼經(jīng)過前后發(fā)生了大幅變化.“?？迸_風的風眼未經(jīng)過蘇通橋址區(qū),其移動過程中橋址區(qū)風向整體穩(wěn)定,變化幅度在15°以內(nèi).“?？迸_風期間,蘇通大橋塔頂處最大平均風速可達44.60 m/s,跨中最大平均風速為23.43 m/s.顯然,橋址區(qū)“海葵”臺風的實測風速等級大于“海鷗”臺風,但其風向變化較“海鷗”臺風穩(wěn)定.

(a) “海鷗”臺風平均風速

(b) “?？迸_風平均風速

(c) “海鷗”臺風平均風向

(d) “海葵”臺風平均風向

圖2“海鷗”和“?？迸_風的平均風特性對比

3.2　紊流強度

紊流強度表示自然風中脈動風所占百分數(shù),是確定結(jié)構(gòu)脈動風荷載的關(guān)鍵參數(shù)[9].紊流強度為基本時距內(nèi)脈動風速的均方根與順風向平均風速的比值,即

(4)

式中,Iu和Iv分別為順風向與橫風向的紊流強度；σu和σv分別為順風向與橫風向脈動風速的均方根.

根據(jù)式(4),分別計算了“海鷗”和“?？迸_風經(jīng)過橋址區(qū)時的紊流強度.塔頂和跨中的紊流強度見圖3.由圖可知,在塔頂、跨中處,順風向與橫風向紊流強度之間均存在一定的相關(guān)性.“海鷗”臺風的紊流強度在28和45 h處產(chǎn)生較大幅度變化,第1個峰值主要是由風向突變所致,而第2個峰值主要是由于風眼區(qū)平均風速接近于0.“?？迸_風的紊流強度變化相對比較小,其最大值及平均值均小于“海鷗”臺風.

(a) “海鷗”臺風塔頂紊流強度

(b) “海葵”臺風塔頂紊流強度

(c) “海鷗”臺風跨中紊流強度

(d) “?？迸_風跨中紊流強度

圖3“海鷗”和“?？迸_風的紊流強度

2類臺風在蘇通大橋塔頂與跨中處順風向、橫風向的紊流強度實測值與規(guī)范建議值[6]的對比見表1.規(guī)范規(guī)定A類場地在70～100 m高度取Iu=0.11,200 m以上高度取Iu=0.10,可見“海鷗”臺風的紊流強度值遠大于規(guī)范值,而“海葵”臺風的紊流強度值低于規(guī)范值；同時,規(guī)范建議Iv∶Iu=0.88.對于“海鷗”臺風,塔頂處Iv∶Iu=0.573,跨中處Iv∶Iu=0.873；對于“海葵”臺風,塔頂處Iv∶Iu=0.241,跨中處Iv∶Iu=0.804,均低于規(guī)范建議值.可見,2類臺風的紊流強度存在較大差異.

表1　實測紊流強度值與規(guī)范建議值的對比

3.3　陣風因子

風的脈動強度可用陣風因子表示,定義為陣風持續(xù)期內(nèi)的平均風速與基本時距T內(nèi)的平均風速的比值,通常取陣風持續(xù)期為3 s[8].順風向陣風因子Gu和橫風向陣風因子Gv的計算公式分別為

(5a)

(5b)

根據(jù)式(5),計算出“海鷗”臺風和“?？迸_風經(jīng)過橋址區(qū)時的陣風因子,結(jié)果見圖4.

“海鷗”與“?？迸_風的陣風因子實測值與規(guī)范建議值[6]的對比見表2.規(guī)范建議A類場地水平加載長度1 000～1 200 m的結(jié)構(gòu)陣風因子取值為1.17,可見“海鷗”與“?？迸_風的實測陣風因子均大于規(guī)范建議值,表明規(guī)范取值偏于不安全.“海鷗”臺風的陣風因子較“?？迸_風大13.7%,說明近程臺風的陣風效應更為明顯.

表2　實測陣風因子值與規(guī)范建議值的對比

由圖4可知,陣風因子變化表現(xiàn)出與紊流強度相似的規(guī)律,說明陣風因子和紊流強度之間存在著明顯的相關(guān)性.近年來,國內(nèi)外相關(guān)學者針對陣風因子和紊流強度之間的關(guān)系已開展了大量研究[10-14],目前可采用下式統(tǒng)一表達：

(a) “海鷗”臺風塔頂陣風因子

(b) “?？迸_風塔頂陣風因子

(c) “海鷗”臺風跨中陣風因子

(d) “?？迸_風跨中陣風因子

圖4“海鷗”和“?？迸_風的跨中陣風因子

(6)

式中,Gu(tg,T)表示陣風持續(xù)時間為tg、時間間隔為T時的陣風因子；k1,k2為相關(guān)性擬合系數(shù).文獻[11]建議k1=0.5,k2=1.0；文獻[12]建議k1=0.62,k2=1.27；文獻[13]建議k1=0.5,k2=1.15；文獻[14]建議k1=0.42,k2=1.0.

以順風向為例,Gu與Iu的關(guān)系如圖5所示.根據(jù)式(6)分別對各工況下紊流強度與陣風因子的關(guān)系進行擬合,結(jié)果見表3,并將擬合模型與各經(jīng)驗模型進行對比(見圖5).由圖可知,在紊流強度值處于0～0.3的有效區(qū)域內(nèi),除了文獻[14]模型與“海鷗”臺風跨中處的擬合曲線較接近、文獻[11]模型與“?？迸_風跨中處的擬合曲線較接近以外,其余的經(jīng)驗模型都不能很好地表達陣風因子與紊流強度之間的關(guān)系,特別是紊流強度較小的塔頂處偏差較大.無論塔頂、跨中處,“海鷗”臺風與“?？迸_風之間的擬合曲線都較為接近,說明陣風因子與紊流強度的關(guān)系在2類臺風中表現(xiàn)出了一致性,但不同模型之間存在差異.

表3　紊流強度與陣風因子相關(guān)性擬合系數(shù)

(a) “海鷗”臺風

(b) “?？迸_風

圖5紊流強度與陣風因子相關(guān)性分析

3.4　紊流積分尺度

紊流積分尺度是量度脈動風中渦旋平均尺寸的重要參數(shù)[9].順風向紊流積分尺度Lu和橫風向紊流積分尺度Lv通過自相關(guān)函數(shù)積分法計算,即

(7)

根據(jù)式(7),分別計算出“海鷗”和“海葵”臺風的紊流積分尺度.分析2個臺風順風向與橫風向紊流積分尺度的概率密度,并采用對數(shù)正態(tài)分布模型對其進行擬合,擬合模型為

(8)

式中,x為隨機變量；μ為變量的對數(shù)平均值；σ為變量的對數(shù)標準差.

塔頂與主梁跨中處紊流積分尺度的概率密度分別見圖6和圖7.由圖可知,臺風的紊流積分尺度存在一定的離散性,但總體符合對數(shù)正態(tài)分布.根據(jù)擬合結(jié)果,“海鷗”臺風的對數(shù)均值小于“海葵”臺風,且“海鷗”臺風紊流積分尺度對數(shù)均方差大于“?？迸_風.紊流積分尺度的均值大小與平均風速相關(guān),因而平均風速較大的“?？迸_風的紊流積分尺度大于“海鷗”臺風.對數(shù)正態(tài)分布模型中的均方差可表征紊流比例的高低,與2類臺風的紊流強度相對應.

(a) “海鷗”臺風順風向

(b) “?？迸_風順風向

(c) “海鷗”臺風橫風向

(d) “?？迸_風橫風向

圖6塔頂紊流積分尺度概率分布

(a) “海鷗”臺風順風向

(b) “?？迸_風順風向

(c) “海鷗”臺風橫風向

(d) “?？迸_風橫風向

圖7跨中紊流積分尺度概率分布

2類臺風的實測紊流積分尺度與規(guī)范建議值[6]的對比見表4.規(guī)范規(guī)定70～100 m高度的紊流積分尺度取值為Lu=120 m,Lv=60 m,大于200 m高度取值為Lu=180 m,Lv=90 m.“海鷗”臺風的塔頂順風向及橫風向紊流積分尺度平均值為288.95和234.22 m；跨中橫風向紊流積分尺度平均值為67.84 m,與規(guī)范建議值接近,而順風向紊流積分尺度平均值為90.61 m,小于規(guī)范建議值.“海葵”臺風的塔頂順風向及橫風向紊流積分尺度平均值分別為357.04和251.96 m,跨中順風向及橫風向紊流積分尺度平均值為178.02和66.69 m,均大于規(guī)范建議值.由此可知,規(guī)范建議值未能較好地概括近程臺風渦旋區(qū)的紊流積分尺度.

表4　實測紊流積分尺度值與規(guī)范建議值的對比　m

3.5　紊流功率譜密度

紊流功率譜密度描述了紊流能量在頻域內(nèi)的分布狀態(tài),是橋梁風致抖振計算的主要依據(jù).目前,我國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[6]采用Kaimal譜作為順風向風譜[10],其具體表達式為

(9)

(10)

針對“海鷗”與“?？迸_風,選取“海鷗”臺風經(jīng)過前(階段Ⅰ)、第1個風速峰值處(階段Ⅱ)、第2個風速峰值處(階段Ⅲ)、臺風經(jīng)過后(階段Ⅳ)4個階段以及“海葵”臺風經(jīng)過前(階段Ⅰ)、經(jīng)過時(階段Ⅱ)、經(jīng)過后(階段Ⅲ)3個階段各1 h的風速樣本進行紊流功率譜密度分析,結(jié)果見圖8.“海鷗”臺風選取的分析時段依次為21～22 h,39～40 h,55～56 h以及65～66 h,各時段的平均風速分別為11.96,17.75,17.59,9.75 m/s；“?？迸_風選取的分析時段依次為30～31 h,39～40 h以及55～56 h,對應的平均風速依次為28.28,40.91,21.32 m/s.

由圖8可知,紊流功率譜密度值大小總體與臺風平均風速相關(guān),“?？迸_風階段Ⅱ的紊流功率譜密度值最大,階段Ⅰ次之,階段Ⅲ最小,與3個階段平均風速大小的相對關(guān)系一致.此外,紊流功率譜密度值還與紊流強度相關(guān),“海鷗”臺風階段Ⅱ與階段Ⅲ、階段Ⅰ與階段Ⅳ的平均風速均較為接近,但由于階段Ⅲ的紊流強度值大于階段Ⅱ、階段Ⅳ的紊流強度值大于階段Ⅰ,因此階段Ⅲ與階段Ⅳ的紊流功率譜密度值較大.“海鷗”臺風和“?？迸_風的紊流功率譜密度函數(shù)與Kaimal譜并不吻合,Kaimal譜相對實測譜在低頻段偏高,在高頻段偏低,其中“海鷗”臺風的實測譜與Kaimal譜的偏差較“海葵”臺風更大,說明規(guī)范推薦的風譜模型在描述實際風譜時存在一定偏差.因此,開展大量現(xiàn)場實測以掌握橋址區(qū)的實測臺風特性、建立起適用于我國各區(qū)域的風特性數(shù)據(jù)庫,有著重要和緊迫的現(xiàn)實意義.

(a) “海鷗”臺風

(b) “?？迸_風

4　結(jié)論

1) “海鷗”臺風的風眼經(jīng)過橋址區(qū),平均風速整體呈M形分布,平均風向在風眼經(jīng)過前后發(fā)生反轉(zhuǎn).“海葵”臺風的風眼未經(jīng)過橋址區(qū),其移動過程中橋址區(qū)風向整體穩(wěn)定,變化幅度在15°以內(nèi).

2) 與“?？迸_風相比,“海鷗”臺風的陣風效應更強,紊流強度和陣風因子值更大,紊流積分尺度更小.在橋址區(qū)2類臺風的各實測風特性參數(shù)均存在一定的差異性,且與規(guī)范取值存在一定偏差.

3) 陣風因子和紊流強度之間均存在很強的相關(guān)性,且擬合關(guān)系在2類臺風中表現(xiàn)出了一致性,但與文獻中所提出的經(jīng)驗模型的擬合關(guān)系存在偏差,說明不同風譜模型之間存在差異.

4) 紊流功率譜密度的大小不僅與臺風風速有關(guān),也與紊流強度有關(guān).實測譜與規(guī)范推薦的風譜模型存在偏差,且“海鷗”臺風的偏差較“?？迸_風大.因此,有必要進行特定區(qū)域的大量現(xiàn)場實測,以建立與實際相適應的風譜模型.

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