蘇通大橋橋址區實測強風非平穩風特性分析

王浩　楊敏　陶天友　茅建校

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

關鍵詞：蘇通大橋；非平穩風特性；臺風；演變功率譜密度；小波變換

引言

橋址區風特性是大跨度橋梁抗風設計與驗算的基本依據，而實測研究是掌握該地區風特性的最有效方法。上世紀70年代以來，國外針對臺風氣候模式的研究已有不少進展，建立了部分臺風數據庫。國內學者針對山谷、沿海地區強/臺風特性開展了大量現場觀測研究，并取得了一些研究成果。然而上述研究工作都是以平穩隨機假設為基礎開展的。近年來，一些研究表明因為復雜地形的臺風和季風都具有明顯的非平穩特征，促使研究者將注意力轉移到對極端天氣狀況下非平穩隨機風場的研究中。Y L xu等提出了一種通過時變趨勢項來反映風非平穩特征的非平穩風速模型，對傳統平穩風速模型加以改進和完善。Mccullough等提出了一種從實測風速時間序列中提取時變平均風速的變時距方法。孫海、申建紅等采用非平穩風速模型，并結合經驗模態分解、小波變換等方法，進行了實測強/臺風的非平穩風特性分析，研究表明該模型具有較好的適應性。此外，還有學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，人們對非平穩風特性的認識遠未成熟。因此，開展橋址區實測強/臺風的非平穩特性分析，對推動橋梁風特性分析朝精細化方向發展具有重要意義。

小波變換（WT）方法是近幾十年來發展起來的新信號處理技術，在時域和頻域都可以達到較高的分辨率，被認為是提取風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“海葵”臺風期問橋址區實測風速數據進行了非平穩風特性研究。研究結果可為橋址區場地風特性的精細化分析以及該地區大跨柔性橋梁等風敏感結構物的抗風設計提供參考。

1.蘇通大橋風速儀布置

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。為實現對大橋各種荷載（包括環境因素）及結構響應的監測，蘇通大橋配備了較為全面的結構健康監測系統（SHMS）。該系統中包括4個DeltaHD2003型三維超聲風速儀（ANE），其中2個分別安裝在主梁跨中上、下游側（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。定義風向角正北為0。，按順時針旋轉正東即為90。。為了便于數據存儲和管理，設定風速儀的采樣頻率為1 Hz，采樣精度為0.01 m/s，風速數據按每段1 h長度進行存儲。為準確把握臺風風向變化過程，數據輸出采用球坐標方式。