苏通大桥桥址区实测强风非平稳风特性分析

王浩　杨敏　陶天友　茅建校

摘要：以2012年“达维”和“海葵”台风期间苏通大桥SHMS实测风数据为研究对象，采用游程检验法对桥址区实测风速进行了平稳性检验，对比分析了基于平稳和非平稳风速模型计算得到的平均风速风向（时变）、紊流强度、紊流功率谱密度等风特性，并采用基于小波变换（WT）的演变功率谱密度（EPSD）估计方法，进行了实测强风非平稳演变功率谱分析。结果表明，实测风速表现出明显的非平稳特性；由于时变趋势项的引入，非平稳风速模型比传统平稳风速模型能更好地表征实测强风特性；所得演变功率谱密度直观地展示了实测脉动风速能量的时频分布，EPSD均值与傅里叶变换谱吻合良好，验证了EPSD估计的可靠性。研究结果可为今后非平稳风场实测分析及数值模拟提供参考。

关键词：苏通大桥；非平稳风特性；台风；演变功率谱密度；小波变换

引言

桥址区风特性是大跨度桥梁抗风设计与验算的基本依据，而实测研究是掌握该地区风特性的最有效方法。上世纪70年代以来，国外针对台风气候模式的研究已有不少进展，建立了部分台风数据库。国内学者针对山谷、沿海地区强/台风特性开展了大量现场观测研究，并取得了一些研究成果。然而上述研究工作都是以平稳随机假设为基础开展的。近年来，一些研究表明因为复杂地形的台风和季风都具有明显的非平稳特征，促使研究者将注意力转移到对极端天气状况下非平稳随机风场的研究中。Y L xu等提出了一种通过时变趋势项来反映风非平稳特征的非平稳风速模型，对传统平稳风速模型加以改进和完善。Mccullough等提出了一种从实测风速时間序列中提取时变平均风速的变时距方法。孙海、申建红等采用非平稳风速模型，并结合经验模态分解、小波变换等方法，进行了实测强/台风的非平稳风特性分析，研究表明该模型具有较好的适应性。此外，还有学者采用短时傅立叶变换、wigner-Ville分布和希尔伯特一黄变换等时频分析方法研究了紊流功率谱随时间变化的情况。但总体而言，上述研究工作仍处于初步探索阶段，人们对非平稳风特性的认识远未成熟。因此，开展桥址区实测强/台风的非平稳特性分析，对推动桥梁风特性分析朝精细化方向发展具有重要意义。

小波变换（WT）方法是近几十年来发展起来的新信号处理技术，在时域和频域都可以达到较高的分辨率，被认为是提取风速时变均值较为有效的一种方法。本文以主跨排名中国第一、世界第二的大跨度斜拉桥——苏通大桥为研究对象，采用多尺度小波变换方法对2012年“达维”和“海葵”台风期问桥址区实测风速数据进行了非平稳风特性研究。研究结果可为桥址区场地风特性的精细化分析以及该地区大跨柔性桥梁等风敏感结构物的抗风设计提供参考。

1.苏通大桥风速仪布置

苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州市之问，是一座主跨1088 m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。为实现对大桥各种荷载（包括环境因素）及结构响应的监测，苏通大桥配备了较为全面的结构健康监测系统（SHMS）。该系统中包括4个DeltaHD2003型三维超声风速仪（ANE），其中2个分别安装在主梁跨中上、下游侧（MS4，MS4），离水面高约76.9 m；另外2个分别安装在南、北两主塔塔顶正中（MS6，MS2），离水面高约306 m，其布置如图1所示。定义风向角正北为0。，按顺时针旋转正东即为90。。为了便于数据存储和管理，设定风速仪的采样频率为1 Hz，采样精度为0.01 m/s，风速数据按每段1 h长度进行存储。为准确把握台风风向变化过程，数据输出采用球坐标方式。