何旭輝+秦紅禧+鄒云峰+史康+李歡+方東旭??

摘 要：基于南廣鐵路肇慶西江特大橋風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng)，對2015年6月臺風(fēng)“鯨魚”氣候條件下的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向以及脈動參數(shù)（紊流強度、陣風(fēng)因子、紊流積分尺度、脈動風(fēng)速功率譜等）開展實測研究.結(jié)果表明：臺風(fēng)外圍影響下1 min平均風(fēng)速波動幅度較大，呈現(xiàn)出跳躍性；實測紊流強度離散性較低，縱向紊流強度實測值0.253，紊流強度和陣風(fēng)因子有隨平均風(fēng)速的增大而減小的趨勢特征，且該趨勢在低平均風(fēng)速段更為明顯；各方向上紊流積分尺度與規(guī)范相應(yīng)推薦值差別較大，流場中主要以中小尺度渦旋為主，其離散度隨平均風(fēng)速的增加略有增大；規(guī)范推薦的Kaimal 譜與實測水平向脈動功率譜函數(shù)并不能很好地符合，臺風(fēng)“鯨魚”在低頻段和高頻段的譜值均偏高.實測表明臺風(fēng)外圍風(fēng)場具有一定相關(guān)性，采用Davenport假設(shè)會帶來一定誤差.

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)“鯨魚”；大跨度拱橋；場地實測；平均風(fēng)特性；脈動風(fēng)參數(shù)

中圖分類號：U238 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

適應(yīng)走向海洋、建設(shè)“海上絲綢之路”的國家戰(zhàn)略，高速鐵路橋梁逐漸向更大規(guī)模和跨度的洲際跨海工程及連島工程邁進(jìn).跨徑的不斷增大，使跨海橋梁的結(jié)構(gòu)剛度與阻尼不斷降低，對復(fù)雜氣候環(huán)境及強臺風(fēng)等極端天氣的敏感性亦隨之增強[1-2].為真實把握臺風(fēng)致災(zāi)機理，為臺風(fēng)影響區(qū)域內(nèi)橋梁的設(shè)計與運營提供科學(xué)依據(jù)，需要對臺風(fēng)特性（包括風(fēng)場分布特征及其演變過程等）開展研究.現(xiàn)階段最直接且有效的研究手段是開展臺風(fēng)風(fēng)場特性的場地實測與分析.自上世紀(jì)60年代開始，衛(wèi)星遙感技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用使得臺風(fēng)監(jiān)測和預(yù)報成為可能.70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了一些有價值的研究工作，如Miyata T等[3]利用日本明石海峽大橋上安裝的風(fēng)速儀，對9807及9918號臺風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集；Brownjohn J M W等[4]對英國亨伯橋一年間的場地實測風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理；Choi E C C等[5]對新加坡境內(nèi)臺風(fēng)天雷暴發(fā)生期間的陣風(fēng)因子進(jìn)行了分析；Masters F J等[6]利用9組可移動式觀測塔，對墨西哥灣的3個颶風(fēng)風(fēng)場進(jìn)行了采集，獲取了平均風(fēng)特性及脈動特性等重要風(fēng)場信息；曹曙陽等[7]對臺風(fēng)Maemi進(jìn)行了場地實測并對其進(jìn)行了較全面的研究；李秋勝等[8]對強臺風(fēng)“黑格比”登陸全過程進(jìn)行了監(jiān)測和近地風(fēng)場特性分析；王旭等[9]利用40 m測風(fēng)塔對臺風(fēng)“梅花”登陸過程中的風(fēng)速風(fēng)向等信息進(jìn)行了全程記錄，并對其脈動風(fēng)特性展開探討；龐加斌等[10]對臺風(fēng)“派比安”進(jìn)行了三維強風(fēng)樣本采集，對沿海地區(qū)的強風(fēng)特性和風(fēng)譜模型進(jìn)行了探索；王浩等[11]對臺風(fēng)“韋帕”進(jìn)行了現(xiàn)場實測研究，總結(jié)了橋址區(qū)的臺風(fēng)特性及其規(guī)律；劉志文等[12]針對黃河復(fù)雜地形處的橋址區(qū)風(fēng)場開展了現(xiàn)場實測，并系統(tǒng)研究了大風(fēng)狀況下的脈動風(fēng)紊流度、風(fēng)剖面及風(fēng)譜等；黃國慶[13]等基于普立特大橋橋位處的山區(qū)強風(fēng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并對實測脈動風(fēng)的非平穩(wěn)與非高斯特性進(jìn)行了探討.

對公路橋梁橋址區(qū)，對高速鐵路橋位處臺風(fēng)近地特性的場地實測仍然非常匱乏.高速鐵路車橋耦合系統(tǒng)對于強風(fēng)作用極為敏感，為保障其在復(fù)雜氣候環(huán)境不同時空分布特征條件下的安全運營，對橋址區(qū)強/臺風(fēng)特性開展實測研究具有重大而緊迫的工程意義.

1 研究背景

新建南廣鐵路肇慶西江特大橋位于廣東省肇慶境內(nèi)，已于2014年12月26日正式通車運營.該橋孔跨布置為（25+50+386+50+49） m，拱腳中心距450 m，矢跨比1/4，拱肋內(nèi)傾角4.8°，橋面距拱頂73.53 m，鋼混結(jié)合梁體系，是國內(nèi)首座中承式鐵路鋼箱提籃拱橋，同時也是目前世界高速鐵路最大跨度的中承式鋼箱提籃拱橋（圖1）.大橋跨越西江，兩側(cè)均為高山，屬于典型山區(qū)地形，受南海海洋氣候影響，是臺風(fēng)活動侵襲經(jīng)過的地區(qū)之一.年平均3.1次臺風(fēng)影響，最高風(fēng)力可達(dá)12級以上.

2 臺風(fēng)實測概況

作為后期管養(yǎng)的重要輔助手段，大橋在建設(shè)時安裝了一套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng).該系統(tǒng)采用4臺英國Gill公司的Windsonic型二維超聲風(fēng)速儀，分別布置于橋面上游邊跨兩側(cè)、跨中及拱頂，南寧（1#）和廣州側(cè)（3#）風(fēng)速儀分別距跨中（2#）270 m和291 m，拱頂風(fēng)速儀（4#）距橋面73.53 m.為避免風(fēng)速儀的安裝干擾橋梁自身風(fēng)場，采用鍍鋅鋼管對風(fēng)速儀進(jìn)行固定，跨中風(fēng)速儀固定于跨中航標(biāo)平臺并高出橋面1.5 m，其余風(fēng)速儀的固定均各自高出橋面或拱頂3 m.風(fēng)速儀編號及具體布置見圖1所示，現(xiàn)場布置見圖2所示.Windsonic風(fēng)速測試范圍為0～60 m/s，量程精度±2%；風(fēng)向測試范圍0～359°，精度±3°.風(fēng)速儀采用全天候工作模式，采集頻率為1 Hz.

2015年第8號臺風(fēng)“鯨魚”（英文名：Kujira，1508號熱帶氣旋）于6月21日11時在中國南海中部海面生成，當(dāng)日23時左右加強為強熱帶風(fēng)暴，并開始逐步向海南東部和廣東西部沿海區(qū)域靠近.23日9時左右，臺風(fēng)外圍襲擊了廣東省肇慶市，至當(dāng)日23時基本出境.安裝于西江特大橋之上的風(fēng)速風(fēng)向健康監(jiān)測子系統(tǒng)實時采集了“鯨魚”臺風(fēng)影響肇慶地區(qū)的全過程數(shù)據(jù).本文根據(jù)臺風(fēng)到達(dá)和離開橋址區(qū)的時間，選取了11：00～20：00之間大橋拱頂觀測點長達(dá)10 h的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究.盡管本次臺風(fēng)未在橋址區(qū)正面登陸，且受橋址附近山區(qū)地形影響，風(fēng)速已發(fā)生減弱，但所采集到的風(fēng)速最高值仍有近24 m/s，仍然具有較強的臺風(fēng)共性規(guī)律及工程研究價值.

3 臺風(fēng)風(fēng)場實測特性

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)主要受橋址區(qū)大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性（即近地風(fēng)特性）影響，從工程抗風(fēng)角度出發(fā)，且為了研究方便，隨機的自然風(fēng)可以分解成不隨時間變化的平均風(fēng)以及隨時間變化的零均值脈動風(fēng)兩部分的疊加[14-15].由于本次臺風(fēng)經(jīng)行橋址區(qū)的持時較短，為更真實、精確地獲得橋位處實測臺風(fēng)的非平穩(wěn)脈動特性，避免出現(xiàn)削峰現(xiàn)象對實際臺風(fēng)風(fēng)速造成低估，選擇t=1 min作為基本時距對整個數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分割處理，并剔除數(shù)據(jù)樣本中由各類原因所引起的野點干擾.考慮到傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）存在邊端效應(yīng)，會在較大程度上制約時變趨勢項的提取精度[16]，本文選用了精度更高的db10母函數(shù)進(jìn)行小波變換分析（Wavelet Transform，WT）[17]，根據(jù)小波能量的突變情況確定時變均值分解的準(zhǔn)確層次，并通過對該分解層低頻近似系數(shù)做離散正交小波逆變換，得到實測臺風(fēng)風(fēng)速樣本的準(zhǔn)確時變均值，從而完成對南廣高速鐵路肇慶西江特大橋拱頂測點實測臺風(fēng)數(shù)據(jù)的計算研究.

3.1 平均風(fēng)速與平均風(fēng)向

平均風(fēng)特性包括平均風(fēng)速、平均風(fēng)向以及風(fēng)速沿高度的分布規(guī)律等.利用小波變換方法[18]，得到臺風(fēng)“鯨魚”襲擊期間，橋址區(qū)實測臺風(fēng)樣本的1 min平均風(fēng)速（圖3）及1 min平均風(fēng)向玫瑰圖曲線（圖4）如下所示.

由圖3可知，臺風(fēng)“鯨魚”外圍經(jīng)行橋址區(qū)過程中，1 min平均風(fēng)速在整個0 m/s～20 m/s范圍內(nèi)波動幅度較大，且局部區(qū)域具有一定跳躍性，最大風(fēng)速值為19.7 m/s（第一次峰值），出現(xiàn)在第272個樣本點，對應(yīng)時段為23日下午15時31分～33分.臺風(fēng)期間風(fēng)速變化顯著，11時～14時段內(nèi)平均風(fēng)速呈現(xiàn)交替變化，波動較大，但總體分布于3.5 m/s～6.5 m/s之間；15時～16時40分左右，平均風(fēng)速在短時內(nèi)劇烈攀升，并在約30 min之內(nèi)先后經(jīng)歷3次峰值，分別為19.7 m/s，15.1 m/s以及12.8 m/s；自16時40分起，臺風(fēng)風(fēng)速開始急劇衰減，至17時～17時30分左右，平均風(fēng)速甚至趨近于0 m/s，之后在臺風(fēng)出境之前約3個小時之內(nèi)，平均風(fēng)速又有回升，但總體保持在4 m/s左右上下波動，最大值約6.2 m/s.總結(jié)起來，臺風(fēng)外圍持時短，且與通常意義上的臺風(fēng)三段模型及七段模型均有不同，外圍風(fēng)場存在一個短時強烈階躍，并伴隨風(fēng)速的逐級衰減，風(fēng)速跳躍性強，甚至出現(xiàn)短時風(fēng)速為零的時段.

圖4給出了西江特大橋主拱拱頂在臺風(fēng)“鯨魚”期間的1 min平均風(fēng)向玫瑰圖，可以看出，1 min平均風(fēng)向主要出現(xiàn)在SSE，SE和S 3個方向，風(fēng)向頻率分別為21.8%，32.2%和23.1%，風(fēng)向變化相對較穩(wěn)定，大橋在臺風(fēng)過境期間主要受東南風(fēng)影響較大.

3.2 紊流強度和陣風(fēng)因子

臺風(fēng)“鯨魚”過境期間，西江特大橋拱頂實測紊流強度和陣風(fēng)因子的概率分布如圖5和圖6所示.圖5 中橫坐標(biāo)每隔0.10作為一個計算區(qū)間（例如橫坐標(biāo)0.30 表示計算區(qū)間為[0.20， 0.40]，橫坐標(biāo)0.50表示計算區(qū)間為[0.40， 0.60]，以此類推），縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的概率分布值（下文中的概率分布圖橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)含義相同）.由于我國規(guī)范[14]采用10 min作為基本時距，本文為真實體現(xiàn)臺風(fēng)的最大風(fēng)速并更為準(zhǔn)確地描述其短時內(nèi)的脈動風(fēng)特性，因而取1 min作為基本時距.據(jù)圖5和圖7可知，紊流強度離散性較低，實測縱向和橫向紊流強度平均值分別為0.253及0.226.文獻(xiàn)[19]基于1 min平均時距計算了多組典型臺風(fēng)的縱向紊流強度的平均值（海鷗：0.285，薔薇：0.353，鳳凰：0.420）.本文實測紊流強度與文獻(xiàn)[19]實測結(jié)果在規(guī)律上具有較好的一致性.實測結(jié)果表明橋址區(qū)流場處于高紊流度狀態(tài)，這點在進(jìn)行該橋臺風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)分析時應(yīng)著重關(guān)注.

作為描述自然風(fēng)脈動強度的重要參數(shù)，紊流強度和陣風(fēng)因子各自的方法和側(cè)重點雖有不同，但二者之間仍然具有密切的線性比例關(guān)系.圖11（a）和圖11（b）分別給出了縱、橫向紊流強度與相應(yīng)的縱、橫向陣風(fēng)因子之間的相關(guān)性及擬合關(guān)系式，可以看出陣風(fēng)因子隨著紊流度的增大有增大趨勢，在表征脈動風(fēng)湍流特性過程中，兩者在趨勢上具有一致性.

3.3 紊流積分尺度

實測紊流積分尺度的概率分布如圖12所示.據(jù)圖12和圖13可知，臺風(fēng)“鯨魚”實測積分尺度概率分布較為集中，其中縱向積分尺度Lxu最大值、最小值分別為206.77 m，5.33 m，平均值為53.59 m；橫向紊流積分尺度Lxv最大值、最小值分別為159.16 m，4.24 m，平均值為32.92 m.實測各方向上的紊流積分尺度與規(guī)范的相應(yīng)推薦值差別較大，主要是因為臺風(fēng)在過境期間受橋址區(qū)峽谷復(fù)雜地形影響，近地層大氣處于高紊流度狀態(tài)，流場中以小尺度渦旋為主.

紊流積分尺度與平均風(fēng)速及紊流強度之間的相關(guān)性描述分別見圖13和圖14所示.由圖可知，紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間相關(guān)性較強，表現(xiàn)出隨平均風(fēng)速的減小而降低的趨勢.其原因在于，當(dāng)流場風(fēng)速變小時，近地層中的大尺度渦旋迅速破碎轉(zhuǎn)化為一系列的小尺度渦旋，此時風(fēng)場脈動特性增強.此外還發(fā)現(xiàn)，隨著平均風(fēng)速的增加，其積分尺度的離散度也略有增大.無論是縱向或橫向分量，紊流積分尺度均隨該方向的紊流強度的增加而快速減小，且這一趨勢在縱向分量中表現(xiàn)更為明顯.

臺風(fēng)期間實測大橋拱頂?shù)湫惋L(fēng)速時段水平向功率譜與Kaimal譜對比見圖15（a）和圖16（a）所示.可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范推薦的Kaimal 譜與實測“鯨魚”臺風(fēng)水平向脈動風(fēng)譜函數(shù)并不能很好地符合.以順風(fēng)向為例，實測風(fēng)譜除了在[0.000 5， 0.001 6]及[0.474， 0.500]頻段大于Kaimal之外，其余頻段均偏低，表明實際條件下臺風(fēng)“鯨魚”具有低頻段和高頻段均偏高的頻譜特征.

同時，通過對臺風(fēng)峰值經(jīng)過前、經(jīng)過時及經(jīng)過后典型風(fēng)速段（時段平均風(fēng)速分別為6.37 m/s，12.32 m/s，3.57 m/s）縱、橫向脈動風(fēng)譜的對比研究，探討了臺風(fēng)過境前后橋址區(qū)水平向脈動風(fēng)譜的變化規(guī)律.分析結(jié)果表明，臺風(fēng)經(jīng)行期間實測脈動風(fēng)譜值隨

相比于Davenport公式推薦值，低頻段縱、橫向拱頂與跨中兩處測點的實測互相關(guān)系數(shù)均小于推薦值，而高頻段實測值明顯大于推薦值，這與Davenport公式存在差距，實測表明臺風(fēng)外圍風(fēng)場具有一定的相關(guān)性，在采用Davenport假設(shè)時會帶來一定的誤差.

4 結(jié) 論

基于肇慶西江特大橋風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng)，對臺風(fēng)“鯨魚”期間橋址區(qū)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到以下主要結(jié)論：

1）臺風(fēng)“鯨魚”外圍影響期間，實測風(fēng)速樣本表現(xiàn)出較強的非高斯特性，1 min平均風(fēng)速波動幅度較大，局部區(qū)域呈現(xiàn)出跳躍性；臺風(fēng)期間以東南風(fēng)為主，風(fēng)向變化相對穩(wěn)定.

2）實測紊流強度離散性較低，橋址區(qū)流場處于高紊流度狀態(tài)，縱向紊流強度實測值0.253，與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果吻合較好，但高出規(guī)范推薦值2倍多，表明規(guī)范可能會在一定程度上低估臺風(fēng)、突變風(fēng)等極端風(fēng)的脈動特性；實測Iv=0.822 6Iu，略小于但接近于規(guī)范推薦的Iv=0.88Iu；紊流度和陣風(fēng)因子有隨平均風(fēng)速增大而減小的趨勢特征，且該趨勢在低平均風(fēng)速段更為明顯，并隨風(fēng)速的增加而變緩.

3）臺風(fēng)外圍實測縱、橫向積分尺度平均值分別為Lxu=53.59 m，Lxv=32.92 m，分別為規(guī)范推薦值的0.33倍、0.41倍，流場以中小尺度渦旋為主；紊流積分尺度有隨平均風(fēng)速減小而降低的趨勢，其離散度隨平均風(fēng)速的增加也略有增大.

4）規(guī)范推薦的Kaimal 譜與實測水平向脈動功率譜函數(shù)并不能很好地符合，實測臺風(fēng)“鯨魚”在低頻段和高頻段的譜值均偏高.臺風(fēng)經(jīng)行期間實測脈動風(fēng)譜值隨平均風(fēng)速的提高而逐漸增大，呈現(xiàn)一定的演化特征.

5）在臺風(fēng)外圍影響下，拱頂與跨中測點在零頻率處的縱、橫向?qū)崪y互相關(guān)系數(shù)值分別為0.77和0.62，且在計算頻域內(nèi)，前者的互相關(guān)系數(shù)整體略大于后者，并均隨頻率的增加而降低；實測表明臺風(fēng)外圍風(fēng)場具有一定的相關(guān)性，采用Davenport假設(shè)會帶來一定誤差.

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