王浩　楊敏　陶天友　茅建校

摘要：以2012年“達維”和“海葵”臺風(fēng)期間蘇通大橋SHMS實測風(fēng)數(shù)據(jù)為研究對象，采用游程檢驗法對橋址區(qū)實測風(fēng)速進行了平穩(wěn)性檢驗，對比分析了基于平穩(wěn)和非平穩(wěn)風(fēng)速模型計算得到的平均風(fēng)速風(fēng)向（時變）、紊流強度、紊流功率譜密度等風(fēng)特性，并采用基于小波變換（WT）的演變功率譜密度（EPSD）估計方法，進行了實測強風(fēng)非平穩(wěn)演變功率譜分析。結(jié)果表明，實測風(fēng)速表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特性；由于時變趨勢項的引入，非平穩(wěn)風(fēng)速模型比傳統(tǒng)平穩(wěn)風(fēng)速模型能更好地表征實測強風(fēng)特性；所得演變功率譜密度直觀地展示了實測脈動風(fēng)速能量的時頻分布，EPSD均值與傅里葉變換譜吻合良好，驗證了EPSD估計的可靠性。研究結(jié)果可為今后非平穩(wěn)風(fēng)場實測分析及數(shù)值模擬提供參考。

關(guān)鍵詞：蘇通大橋；非平穩(wěn)風(fēng)特性；臺風(fēng)；演變功率譜密度；小波變換

引言

橋址區(qū)風(fēng)特性是大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計與驗算的基本依據(jù)，而實測研究是掌握該地區(qū)風(fēng)特性的最有效方法。上世紀70年代以來，國外針對臺風(fēng)氣候模式的研究已有不少進展，建立了部分臺風(fēng)數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)學(xué)者針對山谷、沿海地區(qū)強/臺風(fēng)特性開展了大量現(xiàn)場觀測研究，并取得了一些研究成果。然而上述研究工作都是以平穩(wěn)隨機假設(shè)為基礎(chǔ)開展的。近年來，一些研究表明因為復(fù)雜地形的臺風(fēng)和季風(fēng)都具有明顯的非平穩(wěn)特征，促使研究者將注意力轉(zhuǎn)移到對極端天氣狀況下非平穩(wěn)隨機風(fēng)場的研究中。Y L xu等提出了一種通過時變趨勢項來反映風(fēng)非平穩(wěn)特征的非平穩(wěn)風(fēng)速模型，對傳統(tǒng)平穩(wěn)風(fēng)速模型加以改進和完善。Mccullough等提出了一種從實測風(fēng)速時間序列中提取時變平均風(fēng)速的變時距方法。孫海、申建紅等采用非平穩(wěn)風(fēng)速模型，并結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、小波變換等方法，進行了實測強/臺風(fēng)的非平穩(wěn)風(fēng)特性分析，研究表明該模型具有較好的適應(yīng)性。此外，還有學(xué)者采用短時傅立葉變換、wigner-Ville分布和希爾伯特一黃變換等時頻分析方法研究了紊流功率譜隨時間變化的情況。但總體而言，上述研究工作仍處于初步探索階段，人們對非平穩(wěn)風(fēng)特性的認識遠未成熟。因此，開展橋址區(qū)實測強/臺風(fēng)的非平穩(wěn)特性分析，對推動橋梁風(fēng)特性分析朝精細化方向發(fā)展具有重要意義。

小波變換（WT）方法是近幾十年來發(fā)展起來的新信號處理技術(shù)，在時域和頻域都可以達到較高的分辨率，被認為是提取風(fēng)速時變均值較為有效的一種方法。本文以主跨排名中國第一、世界第二的大跨度斜拉橋——蘇通大橋為研究對象，采用多尺度小波變換方法對2012年“達維”和“?？迸_風(fēng)期問橋址區(qū)實測風(fēng)速數(shù)據(jù)進行了非平穩(wěn)風(fēng)特性研究。研究結(jié)果可為橋址區(qū)場地風(fēng)特性的精細化分析以及該地區(qū)大跨柔性橋梁等風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)物的抗風(fēng)設(shè)計提供參考。

1.蘇通大橋風(fēng)速儀布置

蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州市之問，是一座主跨1088 m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。為實現(xiàn)對大橋各種荷載（包括環(huán)境因素）及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的監(jiān)測，蘇通大橋配備了較為全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（SHMS）。該系統(tǒng)中包括4個DeltaHD2003型三維超聲風(fēng)速儀（ANE），其中2個分別安裝在主梁跨中上、下游側(cè)（MS4，MS4），離水面高約76.9 m；另外2個分別安裝在南、北兩主塔塔頂正中（MS6，MS2），離水面高約306 m，其布置如圖1所示。定義風(fēng)向角正北為0。，按順時針旋轉(zhuǎn)正東即為90。。為了便于數(shù)據(jù)存儲和管理，設(shè)定風(fēng)速儀的采樣頻率為1 Hz，采樣精度為0.01 m/s，風(fēng)速數(shù)據(jù)按每段1 h長度進行存儲。為準確把握臺風(fēng)風(fēng)向變化過程，數(shù)據(jù)輸出采用球坐標方式。