蘇通大橋橋址區(qū)實(shí)測強(qiáng)風(fēng)非平穩(wěn)風(fēng)特性分析

王浩　楊敏　陶天友　茅建校

摘要：以2012年“達(dá)維”和“海葵”臺(tái)風(fēng)期間蘇通大橋SHMS實(shí)測風(fēng)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用游程檢驗(yàn)法對(duì)橋址區(qū)實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行了平穩(wěn)性檢驗(yàn)，對(duì)比分析了基于平穩(wěn)和非平穩(wěn)風(fēng)速模型計(jì)算得到的平均風(fēng)速風(fēng)向（時(shí)變）、紊流強(qiáng)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(jì)方法，進(jìn)行了實(shí)測強(qiáng)風(fēng)非平穩(wěn)演變功率譜分析。結(jié)果表明，實(shí)測風(fēng)速表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特性；由于時(shí)變趨勢項(xiàng)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(shí)測強(qiáng)風(fēng)特性；所得演變功率譜密度直觀地展示了實(shí)測脈動(dòng)風(fēng)速能量的時(shí)頻分布，EPSD均值與傅里葉變換譜吻合良好，驗(yàn)證了EPSD估計(jì)的可靠性。研究結(jié)果可為今后非平穩(wěn)風(fēng)場實(shí)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(tái)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(jì)與驗(yàn)算的基本依據(jù)，而實(shí)測研究是掌握該地區(qū)風(fēng)特性的最有效方法。上世紀(jì)70年代以來，國外針對(duì)臺(tái)風(fēng)氣候模式的研究已有不少進(jìn)展，建立了部分臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)山谷、沿海地區(qū)強(qiáng)/臺(tái)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(jī)假設(shè)為基礎(chǔ)開展的。近年來，一些研究表明因?yàn)閺?fù)雜地形的臺(tái)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(duì)極端天氣狀況下非平穩(wěn)隨機(jī)風(fēng)場的研究中。Y L xu等提出了一種通過時(shí)變趨勢項(xiàng)來反映風(fēng)非平穩(wěn)特征的非平穩(wěn)風(fēng)速模型，對(duì)傳統(tǒng)平穩(wěn)風(fēng)速模型加以改進(jìn)和完善。Mccullough等提出了一種從實(shí)測風(fēng)速時(shí)間序列中提取時(shí)變平均風(fēng)速的變時(shí)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(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波變換等方法，進(jìn)行了實(shí)測強(qiáng)/臺(tái)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(shí)傅立葉變換、wigner-Ville分布和希爾伯特一黃變換等時(shí)頻分析方法研究了紊流功率譜隨時(shí)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(duì)非平穩(wěn)風(fēng)特性的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)未成熟。因此，開展橋址區(qū)實(shí)測強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)的非平穩(wěn)特性分析，對(duì)推動(dòng)橋梁風(fēng)特性分析朝精細(xì)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(hào)處理技術(shù)，在時(shí)域和頻域都可以達(dá)到較高的分辨率，被認(rèn)為是提取風(fēng)速時(shí)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?yàn)檠芯繉?duì)象，采用多尺度小波變換方法對(duì)2012年“達(dá)維”和“海葵”臺(tái)風(fēng)期問橋址區(qū)實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)DeltaHD2003型三維超聲風(fēng)速儀（ANE），其中2個(gè)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(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)正東即為90。。為了便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)。為準(zhǔn)確把握臺(tái)風(fēng)風(fēng)向變化過程，數(shù)據(jù)輸出采用球坐標(biāo)方式。