大桥桥位不同重现期年最大风速推算

摘要：大风是威胁桥梁安全的主要灾害之一，是大型桥梁工程设计的关键，它影响到整个工程的安全性。科学的桥梁抗风设计可以有效预防或降低风险，减少损失。以安徽马鞍山长江大桥为例，借助当涂气象站1960—2022年逐年风速资料，采用时距一致性订正方法，建立相应时段当涂县气象站10 m高度10 min平均年最大风速系列（其中2000—2008年逐年最大风速，通过与未受城市化影响的马鞍山气象站比较进行了合理订正），利用耿贝尔法推算出大桥桥位区不同高度不同重现期10 min平均年最大风速。结果表明：马鞍山长江大桥桥位区不同重现期（100 a，50 a，30 a）10 m高度10 min平均年最大风速分别为28.8 m/s、27.2 m/s和26.0 m/s。利用指数和对数法，将桥位区风速外推到200 m以下每10 m高度层最大风速。

关键词：大桥；重现期；最大风速；耿贝尔

中图分类号：P425 文献标志码：A 文章编号：1001-2443（2024）03-0264-06

科学的抗风设计是大型桥梁［1］、单体建筑 ［2］、电网［3］、沿海（江）岸堤防［4］等工程的重要安全保障。大风作为常见的气象灾害之一，其影响范围广且后果严重。不仅摧毁树木，阻碍交通，还可传播沙尘颗粒等污染物质，危害生命和财产安全，成为阻碍经济发展的重要因素。在过去，因瞬时强风导致诸多灾难事件发生。2015年6月1日，长江湖北监利段发生“东方之星”客轮翻沉特大事故［5］， 强风暴雨袭击导致442人遇难。2019年3月20日，发生在安徽马鞍山长江大桥极端大风事件，大桥广告牌坍塌造成2人死亡［6］。东疆兰新铁路开通以来，因大风已引发多起列车脱轨和倾覆事故［7］，大风给东疆铁路运输安全带来了严重影响，经济损失巨大。根据Ashley［8］和Black［9］的统计研究，美国平均每年有约84人死于大风。可见，大风研究十分必要，已成为国内外学者广泛关注对象，研究成果在防灾减灾中发挥了关键作用。李陶［10］研究了中间层顶（80～105 km）风场纬向风、经向风变化规律对中高层大气动力学的重要意义。胡海川［11］通过建立渤海极大风预报客观订正方法，为大风天气过程预报提供重要参考。任伟［12］、黄哲等［13］、汤洁等［14］、郑丽娜［15］就台风灾害影响机理进行了探讨。张太西［16］、胡帆［17］、秀兰［18］通过构建风灾灾损指数及其等级，给出了新疆风灾风险时空分布特征及成因。王慧赟等［19］、高翔等［20］就东北风灾多发区，开展了植被致灾影响因子分析。国内针对桥梁大风研究的不多见，安徽地区桥梁大风研究还尚不清晰。

本研究以马鞍山长江大桥为例，分析大桥桥位年最大风速，以期为安徽地区大风防灾减灾提供理论支持，研究结果对国内相似大桥的防风工作具有指导意义。

1 资料与方法

1.1 研究资料

马鞍山长江大桥位于安徽省马鞍山市。大桥起于马鞍山博望区丹阳镇牛路口（苏皖界）并接溧水至常熟高速公路，止于马鞍山市和县姥桥镇206省道，在当涂县江心洲位置处跨越长江。大桥全长约36.274 km，其中跨江主体工程长11.209 km。大桥周边有3个国家气象站：马鞍山、和县以及当涂，分别距大桥江心约16.7 km、14.6km和13.1 km。通过比较3个站1960—2022年年平均风速相关性，得到：马鞍山与和县R=0.919，马鞍山与当涂R=0.901，当涂与和县R=0.960，相关系数均大于0.9，相关性较好，说明3个站均能反映大桥一带的风速变化。因此，可以采用距大桥江心最近的当涂气象站1960—2022年逐年风速资料（其中1988—1999年风速资料缺测，年最大风速未挑取）作为大桥桥位年最大风速推算依据。累计样本超过30年，所用气象资料来源于安徽省气候中心，资料经过了县、市、省3级审核，准确率高。为便于测风数据分析，下表1给出了当涂县气象站有测风记录以来风速观测方式和风速仪变化情况。

1.2 研究方法

1.2.1 指数法 气象站的风速仪在历史沿革期间，因测风高度和测风方式发生过变化，需要对测风资料进行时距一致性订正。《公路桥梁抗风设计规范》规定，风速计算应采用自记式风速仪记录的10 min平均风速资料，风速仪标准高度应为10 m。为消除风速仪距地面高度不同对风速大小的影响，有必要利用指数公式，将气象站风速仪离地面高度分别为10.5 m和6.4 m两个高度上的年最大风速，统一换算到距地面10 m高处的年最大风速。大气边界层内风速沿高度变化可以用指数公式（1）表示。

[Vn=V1ZnZ1a]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：Vn为高度Zn处风速，V1为风速仪实际高度Z1处风速，[α]为与地表粗糙度有关的无量纲幂指数（风廓线指数），取值[α]=0.16。将气象站已知数据代入（1）式得（2）式。

V10=0.9922V10.5" V10=1.0740V6.4" "（2）

由于20世纪80年代前，日最大风速记录方式是从每日人工观测2min平均风速中的08、14、20时3次定时记录中挑取。80年代以后，有了自记式风速仪记录，日最大风速实现了从自记记录10min中挑取。因此，要进行最大风速时间一致性订正，将2 min风速统一订正到10 min。查阅文献［21］，换算可采用公式（3）表示。

V10 min=0.88V2 min（定时）+0.8" " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：V10 min指10分钟平均风速，V2 min是指2分钟平均风速。采用（2）和（3）式将当涂气象站两个高度、两个测风方式年最大风速统一换算到距地10 m高度10 min年最大风速，得到当涂县气象站年最大风速序列，见表2。

1.2.2 耿贝儿法 根据研究［22-25］，可采用极值Ⅰ型（耿贝儿法）分布理论作为大桥桥位最大风速概率估算模型，计算重现期为30 a、50 a和100 a的10 min平均最大风速。极值I型的分布函数如（4）式所示［26］。

[F（x）=P（Xmaxlt;x）=e-e-a（x-m）] （4）

式中：P为给定概率（重现期），Xmax代表X总体样本最大值，e为自然常数，[α]为分布众数，x为X总体样本中的随机变量，[μ]为尺度参数，与分布的离散性有关。

2 结果与分析

2.1 最大风速序列均一性审查和修正

《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）规定，观测数据应考虑其均一性，对不均一数据应结合周边气象站状况等作合理性订正。图1为当涂县气象站平均年最大风速随时间变化曲线。可以看出，2000—2008年平均最大风速存在显著性偏差。2000—2008年平均最大风速（均值9.6 m/s）明显小于1960—1987年和2009—2022年平均最大风速速值（均值13.6 m/s）。2000—2008年平均年最大风速减小幅度达29.4%，2006年平均最大风速仅8.0 m/s，为近50年来最小值。经查阅当涂气象站历史沿革信息，因城市规划需要和探测环境影响，当涂气象站有过2次搬迁，分别在2010年和2016年。期间风速仪距地高度发生了变化，测风数据会受到影响。其次，当涂气象站变迁前后城市化发展导致气象站周围环境发生了显著变化，一方面原先气象站周围的农田面积缩小或消失，气象站四周被高大建筑取代，另一方面迁站至城区较远的开阔区域，周围障碍物较少，风速受城市化发展影响较小，风速值较之前会有突变。上述原因均可能导致当涂气象站测风数据的不均一性，观测值不能代表自然状态下的实际风速。因此，需要对2000—2008的测风资料进行修正。

经查阅，马鞍山气象站受环境影响较小，因此，选定马鞍山气象站作为对比站。将马鞍山和当涂气象站分3个时间段进行对比（均进行了时间和高度一致性订正）（表3）。由表3知，马鞍山和当涂气象站在1960—1987年28年间平均年最大风速差别很小（0.4 m/s），可判断为在气候背景下的风速变量相等。马鞍山气象站2000—2008平均年最大风速比前28年减少1.1 m/s，后14年比1960—1987年减少1.4 m/s。说明在2000—2008年风速突变减少后，在后14年状态是稳定的。进一步分析，当涂气象站2000—2008年平均最大风速比前28年减小3.9 m/s，比后14年减小4.1 m/s，是人为因素（城市化发展使气象站周围环境发生了改变）导致。将3.9 m/s减去1.1 m/s得到2.8 m/s，可认为该值是2000—2008年间人为因素的影响量，将2.8 m/s分别加到当涂气象站2000—2008年逐年风速值上便得到了自然条件下的逐年风速值，见表2中2000—2008年订正后风速。

2.2 气象站年最大风速概率计算

有了当涂气象站51年的大风序列值，可采用极值Ⅰ型概率分布函数估算方法得到大桥不同重现期年最大风速值。耿贝尔参数估算法误差很小，可用耿贝尔法算出基本风速。其超过保证率函数如（5）式所示。

[P（x）=1-ee-a（x-u）]" " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

用耿贝尔法来估计参数[α]和[μ]。令[Y=α（x-μ）]，求得[y]的保证率函数如（6）～（8）式所示。

[P（Y）=P（Ygt;y）1-e-e-y]" " " " " " " " " " " " " " " "（6）

[E（Y）=α[E（XM）-u]]" " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

[D（Y）=α2D（XM）]" " " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

可以得到

[α=σyσXM]，[μ=E（XM）-1αE（y）=E（XM）-σXMσYE（y）]" " " （9）

将当涂气象站51年最大风速平均值为[x]=13.4 m/s、标准方差为1.8分别作为[E（XM）]和[σXM]的近似估计值，且[E（y）]和[σγ]的近似估计值[y]和[Sγ]只与N有关。由参考文献［26］表8.8查，N=51时，[y]=0.5489，[Sγ]=1.1623。将4项估计值分别代入式（9）式得到（10）式。

[α=Sγ1.8]=0.65，[μ=x-1.8Sγy]=12.5 m/s" " " " " " " " " " " （10）

再由（5）式得到（11）式。

[Xp=μ-1αln[-ln（1-p）]]" " " " " " " " " " " " " " " " " "（11）

将P=1/100，P=1/50，P=1/30及[α]和[μ]代入（11）式，得到当涂气象站100 a、50 a和30 a一遇的10 min平均年最大风速分别为X100=19.6 m/s、X50=18.5 m/s 和X30=17.7 m/s。

2.3 桥位区风速推算

由于马鞍山长江大桥主体位于江上，江面风速较陆地（当涂气象站）风速大，需要选取江边1个气象站，找出两者之间的统计关系，再根据这个统计关系将气象站多年一遇的10 min平均年最大风速移植到大桥使用。由于大桥在建设之初没有建立测风塔，可利用大桥周边布设的区域气象站。经查询，江心区域气象站距大桥跨江处最近，可用于对比分析。江心区域气象站风速仪高度7 m，有13年（2009—2022）10 min最大风速资料，需要和当涂气象站建立同步时距关系（图2）。

图2表明，江边风速一直高于陆地（当涂气象站），风速分布走势一致且没有突变偏离发生，说明在相同的天气系统影响下，这两个站的年最大风速有较好的相关性，可以用于大桥风速推算。采用公式（1）将江心区域气象站距地7 m历年平均最大风速统一换算到10 m高度处，再与当涂气象站同时段同高度年最大风速进行对比分析。2009—2022年，距地10 m年最大风速的平均值：江心区域气象站为20.2 m/s，它代表江边风，以[V]江表示，当涂气象站为13.7 m/s，它代表陆地风，以[V]陆表示，平均比值用[κ]表示。如（12）式所示。

[k=V江V陆]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（12）

求得比值[k]=1.47，即为桥位区风速比陆地（当涂气象站）风速的增大系数。将当涂气象站100 a、50 a和30 a一遇的10 min平均年最大风速分别乘上增大系数1.47，可得大桥桥位X100=28.8 m/s，X50=27.2 m/s ，X30=26.0 m/s。

马鞍山长江大桥最高塔高185.8 m，利用公式（1）可得大桥桥位200 m以内每10 m高度风切变指数为1.12，可计算出大桥桥位不同高度不同重现期10 min平均最大风速，计算结果见表4。

3 结论

当涂气象站10 m高处10 min不同重现期（100 a，50 a，30 a）平均年最大风速分别为19.6 m/s、18.5 m/s 和17.7 m/s。桥位区风速与陆地（当涂气象站）风速增大系数比为1.44，桥位区不同重现期（100 a，50 a，30 a）10m高处10 min平均年最大风速分别为28.8 m/s、27.2 m/s和26.0 m/s。进一步外推，得到桥位区200 m以下不同重现期（100 a，50 a，30 a）每10 m高度层最大风速值。需要注意的是，最大风速在空间上的分布不仅受天气系统影响，同时也受到地形和人为等因素的影响。当涂气象站历史上有过2次搬迁，风速仪的环境发生了明显变化，计算结果会影响大桥桥位风速值的准确性。又因江心区域气象站周围修建了防洪堤岸，周围树木不能及时修剪，可能使测风速数据偏小，计算的江、陆风速比值偏小，导致推算结果可能偏小，应适当提高桥位设计风速。采用极值I型（耿贝儿法）来推算桥位最大风速是对未来风速预估的一种新尝试，建议利用桥位不同气象站进行对比分析，进一步完善这种推算方法的合理性。

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Calculation of Annual Maximum Wind Speed for Different Return Periods at Bridge Sites

YANG Chun-ming， Chen Xiao-wei， Li Bi-han

（Maanshan Meteorological Bureau，Maanshan 243000，China）

Abstract： Strong wind is one of the main disasters threatening the safety of bridges， and it is the key to the design of large bridges， which affects the safety of the whole project. Scientific wind-resistant design of bridge can effectively prevent or reduce the risk and reduce the loss. Taking Maanshan Yangtze River Bridge in Anhui Province as an example， with the help of the annual wind speed data of Dangtu meteorological station from 1960 to 2022， the annual average maximum wind speed series of 10 minutes at 10 m height of Dangtu meteorological station in the corresponding period were established by using the time-distance consistency correction method （The maximum wind speed from 2000 to 2008 was reasonably corrected by comparing it with the Maanshan meteorological station， which was not affected by urbanization）. Using the Gumbel method to calculate the 10 minute average annual maximum wind speed at different heights and return periods in the bridge site area. The results show that the average annual maximum wind speed at a height of 10 meters and 10 minutes for different return periods （100 a， 50 a， 30 a） at the location of the Maanshan Yangtze River Bridge is 28.8 m/s， 27.2 m/s， and 26.3 m/s， respectively. Using exponential and logarithmic methods， the wind speed in the bridge site area is extrapolated to the maximum wind speed per 10 meters of height below 200 meters.

Key words： great bridge; return period; maximum wind speed; Gumbel

（责任编辑：巩 劼）