考虑台风空间位置的桥址区风特性模型实测研究

2023-11-20徐梓栋陶天友茅建校

振动工程学报 2023年5期

张寒，王浩，徐梓栋，陶天友，茅建校，郜辉

（东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 211189）

引言

近年来，全球台风灾害频发，造成大量工程结构破坏与倒塌，给人类社会带来巨大的经济损失和惨重的人员伤亡。中国是受台风灾害影响最为严重的国家之一，尤其是东南部沿海地区常年遭受西北太平洋台风侵袭［1］，导致区域性重复受灾，大跨度桥梁等风敏感结构的安全面临严峻挑战［2］。随着苏通长江大桥、五峰山长江大桥、沪通长江大桥等一系列世界级桥梁工程的陆续建成，以及张皋长江大桥、琼州海峡大桥等超大型桥梁的规划和设计，中国桥梁工程正朝着更大跨、更纤细的方向迅速发展，对桥梁结构的抗风安全提出了更高的要求。

准确的桥址区风特性是桥梁结构抗风设计与研究的重要依据。当前，桥梁结构设计风特性参数主要来源于规范推荐值，一般由区域气象数据统计得到。然而，长期统计结果涵盖台风和良态风等多种资料，难以有效反映强台风特性［3］。此外，台风空间位置的改变导致固定桥址区风特性不断发展［4-5］，单一统计结果未体现台风移动过程桥址区风特性演变特征。为此，有必要研究台风移动对风特性的影响，揭示桥址区风特性与台风空间位置的关系，实现台风全过程桥址区风特性的准确估计，从而为桥梁设计与运维提供有效参考。

在台风特性的空间分布方面，Holland［6］提出了台风气压场的解析模型，实现了台风气压场的表征。此后，Meng 等［7］和Vickery 等［8］通过现场观测和理论分析提出了更为精细化的台风风场解析模型，量化了台风风速的空间分布规律。在此基础上，Fang等［4］通过大量观测，提出了适用于中国东南沿海台风区域特征的风场解析模型，为台风多发地区工程结构抗风设计提供了有效参考。然而，上述风场解析模型大多反映了台风的平均风场特性，较少体现脉动风特性在台风场中的空间分布规律，可同时刻画桥址区脉动风特性的台风模型则更为少见。已有研究表明，脉动风特性对大跨度桥梁结构风效应影响显著［5，9］。因此，有必要在台风平均风场解析模型的基础上，研究脉动风特性的空间分布模型，以进一步补充完善台风工程解析模型。现场实测是获取脉动风特征最直接和最有效的手段之一。此前，国内外已有多位学者基于实测进行了台风脉动风特性参数的统计研究。Xu 等［10］利用青马大桥结构健康监测系统（Structural Health Monitoring System，SHMS）进行了“胜利”台风的风特性研究。Wang等［5］基于SHMS 研究了苏通大桥实测台风特性。Shu 等［11］采用气象站长期实测数据研究了台风的阵风因子特性。

本文利用苏通大桥SHMS 多次台风实测风速样本，在考虑台风移动过程的基础上，验证了台风工程解析模型在预测桥址区平均风场方面的有效性，分析了湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度等脉动风特性参数随桥址区和台风中心距离的变化规律，研究了脉动风特性参数的空间分布模型。

1 桥址区强风实测

1.1 风环境监测系统

苏通大桥SHMS 风环境监测子系统由4 组三维超声风速仪组成［5］，分别为跨中上游风速仪MS4，跨中下游风速仪MS4'，北塔顶风速仪MS2，南塔顶风速仪MS6，如图1 所示。上述风速仪风速量程0～70 m/s，测试精度0.01 m/s；风向测量范围0°～359.9°，测试精度0.1°。在实际测量中，风速仪仅开启二维模式，正北方向设定为0°风向，顺时针变化为正方向，采样频率设定为1 Hz。

图1 苏通大桥风环境监测系统（单位：m）Fig.1 Anemometers installed on Sutong Bridge（Unit：m）

1.2 台风现场实测

利用苏通大桥风环境监测系统，可有效获取台风过境期间桥址区的风速和风向观测资料。通过对长期实测资料的筛分，本文选取了2012 年至2019 年间4 次记录较为完整的台风实测样本，如表1 所示。此外，图2 给出了4 次台风路径轨迹与苏通大桥位置的空间关系示意，其中台风路径数据来源于中国气象局。

表1 实测台风概况Tab.1 Recorded typhoons

图2 台风路径示意Fig.2 The tracks of the recorded typhoons

结合表1 和图2 可知，上述4 次台风均以较近距离经过苏通大桥，塔顶和跨中实测风速均较高。其中，塔顶最大瞬时风速为57.2 m/s，跨中最大瞬时风速高达33.0 m/s。此外，台风“温比亚”过境期间，桥面风力达到十级，一根斜拉索的阻尼器连接螺栓脱落，导致大桥封闭，引发社会广泛关注。

2 考虑台风空间位置的平均风特性

2.1 平均风速时程

本文采用Fang 等［3-4］发展的台风平均风场解析模型。该模型由Fang 等根据西北太平洋台风最佳路径数据和长期现场实测资料研究得到。为验证已有平均风速模型的适用性，本文根据中国气象局提供的台风路径数据，采用Fang 模型模拟了上述4 次台风过境期间桥址区的平均风速时程。值得注意的是，《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］给出的平均风速基本时距为10 min，与台风路径数据1 h 的记录间隔存在差异。因此，本文采用线性插值方法对台风路径数据展开预处理，从而得到10 min 间隔的路径数据，进而为后续台风平均风特性和脉动风特性分析提供便利。在此基础上，模拟了4 次台风期间苏通大桥南塔顶位置的平均风速时程，并与实测风速样本进行了对比，结果如图3所示。

图3 实测台风风速样本与理论模拟风速Fig.3 Measured typhoon wind speed samples and theoretical simulated wind speed

由图3 可知，桥址区实测台风风速变化主要分为两类趋势。第一类趋势，台风逐渐靠近桥址区引起风速升高，接着台风中心经过桥址区，导致实测风速发生先降低再升高的突变，此后台风远离桥址区，风速逐渐下降，如图3（c）和（d）所示。第二类趋势，台风靠近桥址区再逐渐远离，但台风中心未经过桥址区，实测风速表现为先升高再降低，如图3（a）和（b）所示。对于第一类变化趋势，理论模拟风速时程可反映台风风眼过境时出现的“M”型变化过程，但在台风风眼过境时模拟风速相对实测风速偏高。对于第二类变化趋势，理论模拟风速时程与实测结果吻合较好，理论模型可有效模拟台风期间桥址区风速变化特点。结合图2 可知，台风中心路径与桥梁位置较为接近时，如“利奇马”和“温比亚”，理论模型计算风速与实测结果存在一定差异。反之，台风中心路径距桥梁位置相对较远时，理论模型计算风速可较好地预测实际风速。

2.2 平均风速剖面

平均风速竖向分布是结构抗风设计中的关键要素。中国《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］中采用指数律模型来描述风速沿竖直高度方向的分布。指数律风速剖面模型作为一种经验模型被广泛应用于桥梁、建筑等结构抗风设计与分析领域。然而，已有研究表明，台风风场中的风剖面指数在较大范围内变化，且与观测点距风场中心距离有关。因此，现有固定指数的风剖面模型不适用于台风全过程桥梁抗风设计。本文利用达维、海葵、温比亚和利奇马4 次台风期间塔顶和跨中两个高度处的实测风速，以T=10 min 为基本时距计算了上述两个高度处的平均风速，据此分析得到台风过境期间的风剖面指数，并研究了该指数与桥址区和台风中心距离L的变化关系，结果如图4所示。

由图4 可知，在距台风中心50 km 以上的外围区域，桥址区实测风剖面指数在0.2～0.6 范围内围绕特定值波动，与参考文献［13］研究结果相符。台风达维、海葵、温比亚、利奇马过境期间的实测风剖面指数分别为0.3863，0.3814，0.3673 和0.3786，表明各次台风过境期间，该参数基本保持一致。根据上述4 次台风实测结果计算得到桥址区平均风剖面参数为0.3784，大于《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］中推荐的最大值0.3。在距台风中心50 km 以内的区域，由于风速变化剧烈，风剖面指数变化较大，且相对低于外围区域。值得注意的是，受限于桥上既有风环境监测系统，本文所采用的4 个风速仪的安装位置不在同一竖线上，且仅采用两点的风速不足以推算出更精确的风剖面指数。因此，有必要进一步积累台风全域实测风速数据，以进一步研究平均风速的空间分布规律。

同时，HM公司在制定服务方案时并未考虑客户黏性，VIP制度的缺乏使得新客户转化为依赖性较高的老客户变得较为困难，增加客户的黏性是HM公司值得重视和急需解决的问题。

3 考虑台风空间位置的脉动风特性

3.1 湍流强度

为研究湍流强度空间分布特性，首先，以T=10 min 为基本时距，计算了达维、海葵、温比亚和利奇马4 次台风期间桥塔顶顺风向脉动风速均方差，并研究了脉动风速均方差随L的变化规律，结果如图5 所示。

图5 实测脉动风速均方差随L 的变化关系Fig.5 Standard deviation of measured fluctuating wind speed varied with L

由图5 可知，4 次台风实测脉动风速均方差变化趋势相似，均表现为随桥址区与台风中心距离增大而减小。上述现象表明，距离台风中心越近的区域，风速脉动程度越高。根据上述变化趋势，线性拟合得到脉动风速均方差σu随距离L变化的关系表达式为：

上述关系式对应图5 中的虚线，除台风利奇马脉动速度均方差离散程度相对较大外，式（1）可反映实测台风脉动风速均方差随L的大致变化趋势。在此基础上，采用上述理论表达式反算不同距离位置脉动风速均方差，据此模拟4 次台风过境时的顺风向湍流强度，与实测结果进行对比，如图6 所示。

图6 实测湍流强度与理论模拟结果Fig.6 Measured turbulence intensity and theoretical simulation results

由图6 可知，理论模拟湍流强度与实测结果吻合，二者变化趋势和变化范围基本一致，验证了解析表达式的有效性。此外，由图6（d）可知，台风利奇马中心经过桥址区，实测湍流强度高于理论模拟结果，但在靠近台风中心的区域内，理论模拟可反映出实测湍流强度较高的特点。

3.2 阵风因子

已有研究表明，阵风因子与湍流强度具有较强的相关性。阵风因子与湍流强度之间的关系常用下式表达［5］：

式中Gu为阵风因子；Iu为湍流强度；k1和k2为待定参数；T为基本时距；阵风持续期tg一般取为3 s。

计算4 次台风过境期间塔顶阵风因子，并采用式（2）表达阵风因子和湍流强度之间的关系，从而拟合得到参数k1和k2分别为0.2381 和0.7638，实测结果和拟合结果如图7 所示。

图7 阵风因子与湍流强度的关系Fig.7 Relationship between gust factor and turbulence intensity

由图7 可知，台风过境期间，桥址区阵风因子主要集中在1～1.5 的范围内。在此范围内，由拟合结果可知，式（2）所示非线性表达式可有效表征阵风因子和湍流强度之间的关联。此外，尽管少量高湍流区的实测数据与上述关系差异较大，但该表达式总体上与实测结果吻合较好。因此，基于上述关系模型，可在模拟湍流强度的基础上，进一步展开阵风因子的模拟，结果如图8 所示。

图8 实测阵风因子与理论模拟结果Fig.8 Measured gust factor and theoretical simulation results

由图8 可知，模拟的阵风因子与实测结果吻合较好，表明采用理论模型可有效预测台风过境期间桥址区阵风因子。随着距离L的增大，阵风因子整体上呈现先增大后逐渐减小的变化趋势，表明在台风中部高风速区域阵风效应较强，在台风外围区域阵风效应相对较弱。

3.3 湍流积分尺度

对数正态分布函数为：

式中x为随机变量；μ和σ分别为变量对数的平均值和标准差。

为研究台风过境期间桥址区湍流积分尺度的空间分布特征，将桥址区与台风中心的距离L划分为0～100，100～200，200～300，300～400，400～500，500～600 和600～700 km 共7 个区间。计算各距离区间内的顺风向湍流积分尺度，并利用式（3）拟合各区间湍流积分尺度的概率密度分布，结果如图9所示。

图9 不同距离区间湍流积分尺度概率分布特征Fig.9 Turbulence integral scale probability distribution in different distance intervals

由图9 可知，各距离区间内实测湍流积分尺度均集中在小于500m的范围内，在大于500m的范围分布较少。此外，对数正态分布函数的概率密度拟合结果与实测结果吻合较好，可有效反映湍流积分尺度的概率分布特征。在此基础上，利用拟合得到的对数正态分布均值，计算各距离区间内的平均湍流积分尺度，以代表该区间内的湍流积分尺度。同时，采用各距离区间中间值代表桥址区与台风中心的距离，以研究桥址区湍流积分尺度随距离的变化关系。然而，由于台风中心区域内风场变化剧烈，仅有的少量的实测数据难以反映此区域内湍流积分尺度的空间变化规律。为此，本文仅采用线性拟合的方式，建立台风中心区域以外湍流积分尺度Lu的空间分布模型：

相应的拟合结果如图10 所示。

图10 湍流积分尺度随L 的变化关系Fig.10 Relationship between the turbulence integral scale and L

由图10 可知，湍流积分尺度随着距离的增加呈现出先增大后减小的趋势。在距台风中心50 km 左右的区域内，湍流积分尺度较小。随着距离增大到距台风中心150 km 左右，湍流积分尺度达到峰值，研究表明此区域一般为台风的高风速区域。在高风速区外围，随着距离进一步增大，湍流积分尺度以近似线性的变化趋势逐渐减小，并在距台风中心650 km 左右的区域减小至初始水平。此外，在台风中心区域以外，所建立的湍流积分尺度空间分布关系模型可反映湍流积分尺度的基本变化特征。