臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場陣風(fēng)特性分析

王小松, 郭增偉, 袁 航， 趙 林

(1. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心, 重慶 400074； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

我國地處太平洋東岸，華南和東南沿海每年均會(huì)受到在西太平洋及南海生成的臺(tái)風(fēng)的襲擾，給當(dāng)?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013年臺(tái)風(fēng)“菲特”致直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)到623.3億元。為保證強(qiáng)臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的安全，準(zhǔn)確描述作用于其上的風(fēng)荷載成為亟需解決的首要關(guān)鍵問題，而強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的大量實(shí)測(cè)和分析無疑是了解強(qiáng)風(fēng)特性最直接、最有效的手段。在過去的近20年的時(shí)間里，一些風(fēng)工程研究發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)已作了大量的強(qiáng)風(fēng)實(shí)測(cè)工作，研究成果相對(duì)較多[1-9]。我國在近些年雖然對(duì)入侵的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行一定的監(jiān)測(cè)分析[10-16]，但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍然相對(duì)較少，且臺(tái)風(fēng)具有地域性和強(qiáng)變異性，因此目前臺(tái)風(fēng)的研究成果仍不夠系統(tǒng)不能以一整套完整的科學(xué)理論來指導(dǎo)實(shí)際工程。

陣風(fēng)因子隨計(jì)算時(shí)距變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是強(qiáng)風(fēng)觀測(cè)和分析中一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，Durst利用良態(tài)強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)得到了順風(fēng)向陣風(fēng)因子均值隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變化曲線，其研究成果至今仍被美國規(guī)范所采用。在這之后，基于不同地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)研究雖然較多，但由于各地區(qū)風(fēng)特性、地形地貌以及觀測(cè)高度等因素的差異，導(dǎo)致研究結(jié)果也不盡相同，且大多研究僅關(guān)注順風(fēng)向陣風(fēng)因子均值隨計(jì)算時(shí)距的變化，橫風(fēng)向和豎向陣風(fēng)因子均值和極值隨計(jì)算時(shí)距變化規(guī)律的研究卻鮮有報(bào)道。

本文基于安裝在西堠門大橋上的高頻超聲風(fēng)速儀，采集到2012年臺(tái)風(fēng)“布拉萬(Bolaven)”整個(gè)過程的所有有效風(fēng)速數(shù)據(jù)，并對(duì)整個(gè)過程脈動(dòng)風(fēng)速記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首次探討了該次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)端的基本風(fēng)特性(如平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角、紊流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子)，而后采用概率統(tǒng)計(jì)的方法研究了不同時(shí)距的陣風(fēng)因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從而得到有意義的結(jié)論，為同類型結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 臺(tái)風(fēng)“布拉萬”及風(fēng)速現(xiàn)場實(shí)測(cè)

西堠門大橋是位于浙江省舟山市跨越金塘島和冊(cè)子島之間海域的世界第二大跨徑跨海懸索橋，橋位處水文、地質(zhì)、氣候條件復(fù)雜，冬季季風(fēng)盛行常年受到臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)的侵襲，為了對(duì)橋梁抗風(fēng)安全性能進(jìn)行及時(shí)有效評(píng)估，在橋梁上安裝6個(gè)超聲風(fēng)速儀和2個(gè)螺旋槳風(fēng)速儀用來獲取風(fēng)場特性，其中超聲風(fēng)速儀為英國Gill公司生產(chǎn)的WindMaster Pro，采用頻率為32 Hz，安裝于主跨1/4、1/2、3/4斷面處距離橋面5 m的燈柱上(距離海平面62.6 m)，螺旋槳風(fēng)速儀采樣頻率為1 Hz，安裝與橋塔塔頂，具體安裝位置如圖1所示。由于收集三維風(fēng)速的點(diǎn)位有6個(gè)，為了簡化工作量，文本所有處理的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均來自于位于主跨1/4斷面的超聲風(fēng)速儀。

圖1 西堠門大橋風(fēng)速儀總體布置圖 Fig.1 Anemometer arrangement of Xihoumen Bridge

臺(tái)風(fēng)“布拉萬”(Bolaven)于2012年8月20日14時(shí)在西北太平洋洋面上生成，8月22日05時(shí)“布拉萬”在西北太平洋洋面上加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，并以每小時(shí)15 km左右的速度向西偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。8月27日05時(shí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”中心移動(dòng)至浙江省象山縣東南方大約540 km的東海東南部海面上，中心附近最大風(fēng)力達(dá)到52 m/s，并仍以每小時(shí)25 km左右的速度向西偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度緩慢減弱，28日15時(shí)在朝鮮西南(黃海南道)沿海登陸，登陸從朝鮮北部進(jìn)入吉林東南部地區(qū)，很快減弱為熱帶風(fēng)暴，在后面的幾天慢慢減弱為低壓區(qū)直至消失，其移動(dòng)路徑圖如圖2所示。

圖2 臺(tái)風(fēng)“布拉萬”中心移動(dòng)路徑 Fig 2. Track of typhoon ‘Bolaven’

本次臺(tái)風(fēng)中心路徑距離西堠門大橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)約為360～380 km，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所采集到的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)屬于遠(yuǎn)端臺(tái)風(fēng)風(fēng)速。通過對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速的初步篩選，特選用風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)處平均風(fēng)速超過5 m/s時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速資料進(jìn)行分析，即8月27日0時(shí)至28日12時(shí)共36個(gè)小時(shí)的風(fēng)速資料分析臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場的風(fēng)速脈動(dòng)特性。

2 現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

2.1 樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理

為使風(fēng)特性分析更加準(zhǔn)確，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前先對(duì)實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)過程數(shù)據(jù)根據(jù)萊茵達(dá)準(zhǔn)則將影響整體性的壞點(diǎn)數(shù)據(jù)從大數(shù)據(jù)中剔除，即實(shí)測(cè)風(fēng)速樣本中瞬時(shí)風(fēng)速的絕對(duì)值大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)記錄風(fēng)速為壞點(diǎn)或異常值并予以清除。同時(shí)通過分析風(fēng)速樣本的功率譜檢驗(yàn)高頻信號(hào)的可信性，避免風(fēng)速樣本序列中混雜高頻噪聲信號(hào)。

經(jīng)過對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在的壞點(diǎn)處理，再將整體樣本按照規(guī)定的時(shí)距進(jìn)行分割處理。樣本分割過程中選取的平均時(shí)距不同，最后得到的風(fēng)場特性參數(shù)也不同。各個(gè)國家和地區(qū)的風(fēng)特性有所差別，因此各國所采用平均時(shí)距也不盡相同，其中我國規(guī)范采用的是10 min為標(biāo)準(zhǔn)平均時(shí)距。本文采用我國規(guī)范的規(guī)定時(shí)距即10 min，則每個(gè)樣本的數(shù)量為32 Hz×600 s=19 200個(gè)三維風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，然后針對(duì)每個(gè)樣本分別采用輪次檢驗(yàn)法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)。本文選取36h的風(fēng)速樣本進(jìn)行分析，并取20 s作為一個(gè)小區(qū)間長度來劃分10 min脈動(dòng)風(fēng)速樣本進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)。限于篇幅具體檢驗(yàn)過程不再闡述，檢驗(yàn)結(jié)果表明在216個(gè)10 min風(fēng)速樣本中平穩(wěn)風(fēng)速樣本數(shù)為203，占總數(shù)94%，非平穩(wěn)風(fēng)速樣本數(shù)為13，占總數(shù)6%，故可接受該臺(tái)風(fēng)風(fēng)速序列平穩(wěn)性假定。

2.2 平均風(fēng)速及風(fēng)向

風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)處理可以采用矢量分解法和風(fēng)速風(fēng)向法，矢量分解法將大氣湍流風(fēng)速矢量分解為順風(fēng)向水平分量、橫風(fēng)向水平分量和垂直分量，而風(fēng)速風(fēng)向法則認(rèn)為自然風(fēng)僅包括水平分量和垂直分量，兩種方法的區(qū)別在于矢量分解法認(rèn)為風(fēng)向在統(tǒng)計(jì)時(shí)距內(nèi)是不變的，橫風(fēng)向水平分量實(shí)際上是由于統(tǒng)計(jì)時(shí)距內(nèi)風(fēng)向的瞬時(shí)脈動(dòng)所產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中注重風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，結(jié)構(gòu)空間受力計(jì)算要求分析三維風(fēng)速分量及其相關(guān)特性，故結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中一般采用矢量分解法對(duì)風(fēng)速實(shí)測(cè)資料進(jìn)行處理。

本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均來自西堠門大橋上安裝的三維超聲風(fēng)速儀，記錄樣本數(shù)據(jù)包含時(shí)間序列t,x方向的風(fēng)速ux、y方向的風(fēng)速uy、z方向的風(fēng)速uz三個(gè)正交方向的風(fēng)速。則10 min基本時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速U、平均風(fēng)向角θ為：

(1)

(2)

根據(jù)平均風(fēng)速與平均風(fēng)向角可得到順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速u，橫向脈動(dòng)風(fēng)速v及豎向脈動(dòng)風(fēng)速w

u=uxcosθ+uysinθ-U

(3)

v=-uxsinθ+uycosθ

(4)

(5)

2.3 紊流強(qiáng)度

紊流強(qiáng)度Ii(i=u,v,w)是描述脈動(dòng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特性的一個(gè)重要參數(shù)，反映了風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度，

(6)

式中：σi為三個(gè)方向的脈動(dòng)風(fēng)速的均方差；U為基本時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速。

2.4 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子是用來描述脈動(dòng)風(fēng)速峰值大小的一個(gè)重要的參數(shù)。其可以定義為一定陣風(fēng)持續(xù)期ts內(nèi)的平均風(fēng)速最大值與基本時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速U比值，即：

(7)

(8)

(9)

3 實(shí)測(cè)風(fēng)速分析

使用矢量分解法并采用10 min為基本統(tǒng)計(jì)時(shí)距，對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到8月27日0時(shí)至28日12時(shí)內(nèi)平均風(fēng)速及水平風(fēng)向隨時(shí)間變化曲線如圖3、圖4。從圖3可以清晰地看到臺(tái)風(fēng)經(jīng)過的整個(gè)過程中平均風(fēng)速的變化規(guī)律，在8月27日14時(shí)平均風(fēng)速開始出現(xiàn)明顯的風(fēng)速增強(qiáng)段，于27日20時(shí)平均風(fēng)速到達(dá)頂峰(19 m/s)并隨后開始減小。圖4中的風(fēng)向角隨時(shí)間呈現(xiàn)連續(xù)性變化的特征可從一定程度上反映出數(shù)據(jù)分析的正確性。

圖3 平均風(fēng)速隨時(shí)間變化 Fig.3 Time history of mean wind velocity

圖4 風(fēng)向隨時(shí)間變化 Fig.4 Time history of wind direction

3.1 紊流強(qiáng)度

為考察臺(tái)風(fēng)“布拉萬”過境前后紊流強(qiáng)度的時(shí)變特性，以10 min為統(tǒng)計(jì)時(shí)距計(jì)算臺(tái)風(fēng)“布拉萬”過境前后36 h內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向以及豎向的紊流強(qiáng)度，并分別給出了三個(gè)方向紊流強(qiáng)度隨時(shí)間(圖5)和平均風(fēng)速的變化歷程(圖6)。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：整體而言順風(fēng)向紊流強(qiáng)度最大、橫風(fēng)向次之、豎向最小。結(jié)合圖3、圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)方向的紊流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增大而減小，而這種變化趨勢(shì)又以順風(fēng)向紊流強(qiáng)度的變化最為明顯、橫風(fēng)向次之，豎向最小。

圖5 紊流強(qiáng)度隨時(shí)間變化 Fig.5 Time history of turbulence intensity

圖6 紊流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速變化 Fig.6 Turbulence intensity versus mean wind speed

鑒于紊流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速變化，故以10 min平均風(fēng)速U=15 m/s為界將風(fēng)速樣本分為兩段，并對(duì)兩段樣本內(nèi)三個(gè)方向紊流強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示，顯然臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場順風(fēng)向紊流強(qiáng)度大于《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG T D60-01—2004)給出的相應(yīng)于超聲風(fēng)速儀高度處紊流強(qiáng)度值上限值0.143，U≤15 m/s區(qū)段內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎向風(fēng)紊流強(qiáng)度比值為1∶0.70∶0.34，U>15 m/s區(qū)段內(nèi)三個(gè)方向紊流強(qiáng)度比值為1∶0.73∶0.39，與規(guī)范建議的比值1∶0.88∶0.50相比，臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場橫風(fēng)向和豎向風(fēng)速相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度有超過10%的下降。

表1 不同風(fēng)速區(qū)段紊流強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特性Tab.1 Turbulence intensity statistics indifferent wind speed range

3.2 陣風(fēng)因子

由于該臺(tái)風(fēng)樣本數(shù)據(jù)是采用32 Hz高頻三維風(fēng)速儀收集，可以準(zhǔn)確計(jì)算較短時(shí)距內(nèi)的陣風(fēng)因子，圖7給出了在陣風(fēng)持續(xù)期1 s、3 s、1 min內(nèi)三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速的變化，從圖中可以看出，在短時(shí)距1 s及3 s陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)三個(gè)方向的陣風(fēng)因子隨統(tǒng)計(jì)時(shí)距的增大而減小、隨平均風(fēng)速的增大而減小，在1 min陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)順風(fēng)向及橫風(fēng)向仍表現(xiàn)出與短時(shí)距相同規(guī)律而豎向陣風(fēng)因子所得統(tǒng)計(jì)值則整體較小，未見一般性規(guī)律，另外，低風(fēng)速下的陣風(fēng)因子較高風(fēng)速離散性更大，且不同陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)均表現(xiàn)出相同的規(guī)律；1 s和3 s的陣風(fēng)因子數(shù)據(jù)離散性較1min的陣風(fēng)因子更為顯著。這表明短時(shí)距條件下陣風(fēng)效應(yīng)更為明顯但離散性較大，使用單次風(fēng)速實(shí)測(cè)樣本不能很好地反映其統(tǒng)計(jì)特征，需要借助統(tǒng)計(jì)學(xué)手段更為科學(xué)地描述其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化。

(a) 順風(fēng)向陣風(fēng)因子Gu

(b) 橫風(fēng)向陣風(fēng)因子Gv

(c) 豎向陣風(fēng)因子圖7 不同計(jì)算時(shí)距下三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速變化 Fig.7 Gust factors obtained by different time interval versus mean wind speed

(a) 陣風(fēng)因子均值

(b) 陣風(fēng)因子極值圖8 不同風(fēng)速區(qū)間內(nèi)陣風(fēng)因子隨計(jì)算時(shí)距變化 Fig.8 Gust factor in different wind speed range versus time interval

為系統(tǒng)考察陣風(fēng)因子隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變化，圖9給出了陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距為1 s、2 s、3 s、5 s、10 s、20 s、30 s、60 s、120 s、200 s和300 s條件下三個(gè)方向陣風(fēng)因子的箱盒圖，很明顯三個(gè)方向陣風(fēng)因子的極值、均值和方差隨著陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的增大而減小，且陣風(fēng)因子極值下降速率明顯大于均值的下降速率，表明陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距對(duì)陣風(fēng)因子極值的影響更為顯著；相同陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距條件下順風(fēng)向陣風(fēng)因子的均值和方差最大，橫風(fēng)向次之，豎向陣風(fēng)因子最小，表明順風(fēng)向風(fēng)速脈動(dòng)較其他兩個(gè)方向更為強(qiáng)烈。

圖9 三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變化 Fig.9 Gust factors of different direction versus time interval

3.3 陣風(fēng)因子隨紊流強(qiáng)度變化規(guī)律

陣風(fēng)因子、紊流強(qiáng)度以及陣風(fēng)持續(xù)期之間的關(guān)系是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的熱點(diǎn)問題之一，Choi基于實(shí)測(cè)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速樣本統(tǒng)計(jì)出3個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，Cao進(jìn)一步將其研究成果歸納為如下公式：

(10)

式中：T為平均風(fēng)速計(jì)算基本時(shí)距；ts為陣風(fēng)因子計(jì)算時(shí)距；Choi建議取k1=0.62，k2=1.27，而Ishizaki建議k1=0.5，k2=1.0，Cao建議取k1=0.5，k2=1.15。基于本文實(shí)測(cè)風(fēng)速，分別對(duì)陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距ts=3 s，ts=30 s，ts=120 s時(shí)順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向陣風(fēng)因子與相應(yīng)的紊流強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖10所示，顯然公式(11)可以反映臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場順風(fēng)向和橫風(fēng)向陣風(fēng)因子隨紊流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，且此時(shí)對(duì)于順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速而言k1=0.49，k2=1.27(與Cao結(jié)果相近)，對(duì)于橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速而言k1=0.58，k2=1.29(與Choi結(jié)果相近)；豎向陣風(fēng)因子隨豎向紊流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與公式(11)相差甚多。

圖10 三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨紊流強(qiáng)度的變化規(guī)律 Fig.10 Gust factors of different direction versus turbulence intensity

4 陣風(fēng)因子概率分布

4.1 不同時(shí)距陣風(fēng)因子概率分布

我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG T D60-01—2004)中規(guī)定陣風(fēng)持續(xù)時(shí)距為1～3 s。一般情況下橋梁健康監(jiān)測(cè)和氣象測(cè)量中風(fēng)速的采樣周期一般較大(大于1 min)，難以準(zhǔn)確獲知橋址處陣風(fēng)風(fēng)速，鑒于此，本文擬通過分析不同時(shí)距下陣風(fēng)因子的概率分布，選擇統(tǒng)一的概型分布類型并據(jù)此尋找不同陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)陣風(fēng)因子均值和極值的關(guān)系。

大量研究表明風(fēng)速、雨量、水位等氣候參數(shù)可選用極值Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型分布描述其極值分布，廣義極值分布結(jié)合了三種極值分布的特點(diǎn)，在具體應(yīng)用時(shí)具有更好的靈活性和擬合度。

(11)

式中：F(x)為自變量為x廣義極值分布的累計(jì)分布函數(shù)；μ為位置參數(shù)；σ為尺度參數(shù)；γ為形狀參數(shù)。當(dāng)γ=0時(shí)，廣義極值分布退化為位置參數(shù)等于μ、尺度參數(shù)等于σ的極值Ⅰ型分布，γ>0時(shí)退化為位置參數(shù)等于μ-σ/γ、尺度參數(shù)等于σ/γ的極值Ⅱ型分布，γ<0退化為位置參數(shù)等于μ+σ/γ、尺度參數(shù)等于-σ/γ極值Ⅲ型分布。

為考察不同陣風(fēng)持續(xù)期內(nèi)三個(gè)方向陣風(fēng)因子的概型分布，特選用陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距為1 s和2 min，并使用廣義極值函數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”36個(gè)小時(shí)內(nèi)陣風(fēng)因子的累計(jì)概率分布進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出廣義極值分布函數(shù)對(duì)陣風(fēng)因子的累計(jì)概率分布擬合效果很好，且陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距1 s時(shí)形狀參數(shù)γ均小于0，表明陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距1 s內(nèi)三個(gè)方向的陣風(fēng)因子均服從極值Ⅲ型分布，而陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距為2 min時(shí)形狀參數(shù)γ均大于0，表明陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距2 min內(nèi)三個(gè)方向的陣風(fēng)因子均服從極值Ⅱ型分布；兩種不同計(jì)算時(shí)距內(nèi)的陣風(fēng)因子服從的分布概型不同。

(a) 陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距ts=1 s

(b) 陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距ts=120 s圖11 不同陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距下陣風(fēng)因子累計(jì)概率經(jīng)驗(yàn)分布及其擬合 Fig.11 Experience cumulative probability distribution and its fitting of Gust factors under different time interval versus time interval

為深入探究不同陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距下三個(gè)方向陣風(fēng)因子的概型分布，圖12給出了廣義極值分布的形狀參數(shù)γ隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變化，從中可以更為明顯的看出當(dāng)陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距較短時(shí)(順風(fēng)向小于120 s，橫風(fēng)向和豎向小于30 s)，三個(gè)方向的陣風(fēng)因子均服從極值Ⅲ型分布(γ<0)；隨著陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的增大陣風(fēng)因子將逐漸由極值Ⅲ型逐漸向極值Ⅱ型轉(zhuǎn)變。

4.2 不同計(jì)算時(shí)距下陣風(fēng)因子的換算關(guān)系

我國公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范建議橋梁結(jié)構(gòu)采用1～3 s的計(jì)算時(shí)距來計(jì)算陣風(fēng)因子，但由于測(cè)量條件的限制一般情況下很難準(zhǔn)確獲知短時(shí)距下的陣風(fēng)因子，利用有限的風(fēng)速實(shí)測(cè)資料并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)手段建立不同計(jì)算時(shí)距下陣風(fēng)因子的換算關(guān)系，并利用氣候測(cè)量中風(fēng)速資料回歸得到短時(shí)距條件下的陣風(fēng)因子則是一種高效、科學(xué)的分析方法。考慮到不同風(fēng)速樣本統(tǒng)計(jì)特性的差異性，本文使用不同時(shí)距條件下陣風(fēng)因子數(shù)據(jù)識(shí)別廣義極值分布函數(shù)中的相關(guān)特征參數(shù)，以此作為陣風(fēng)因子的母體分布，在此基礎(chǔ)上獲得不同計(jì)算時(shí)距條件下陣風(fēng)因子均值和極值(95%保證率對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)因子)，并使用對(duì)數(shù)高斯分布函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合。

圖12 廣義極值分布中形狀參數(shù)隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變化 Fig.12 Shape parameter in the generalized extreme value distribution versus time interval

(12)

式中：a,b,c待擬合參數(shù)，G為陣風(fēng)因子。圖13給出了不同計(jì)算時(shí)距條件下陣風(fēng)因子均值、極值及其擬合結(jié)果，并與Krayer和王旭等[15]順風(fēng)向陣風(fēng)因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，需要說明的是Krayer結(jié)果是基于颶

風(fēng)的，王旭結(jié)果則是基于上海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)。

從圖13中可以看出，陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距ts=1 s時(shí)，95%保證率條件下順風(fēng)向陣風(fēng)因子均值為1.48，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009—2012中對(duì)應(yīng)于超聲風(fēng)速儀高度處陣風(fēng)因子取值為1.48，兩者完全一致；臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場順風(fēng)向陣風(fēng)因子均值隨陣風(fēng)時(shí)距的變化趨勢(shì)與Krayer和王旭等統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致；相對(duì)而言，臺(tái)風(fēng)“布拉萬”陣風(fēng)因子均值隨陣風(fēng)時(shí)距的變化與王旭對(duì)臺(tái)風(fēng)“梅花”的統(tǒng)計(jì)結(jié)果最為接近，而“布拉萬”陣風(fēng)因子極值與Krayer的統(tǒng)計(jì)結(jié)果最為接近；使用對(duì)數(shù)高斯分布函數(shù)可以很好地描述三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖13 陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)特征值隨陣風(fēng)時(shí)距的變化 Fig.13 gust factor statistics versus time interval

5 結(jié) 論

利用高頻風(fēng)速儀對(duì)遠(yuǎn)端臺(tái)風(fēng)“布拉萬(Bolawen)”影響下西堠門大橋附近海域的三維風(fēng)速進(jìn)行全程檢測(cè)記錄。通過分析脈動(dòng)風(fēng)速的紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子，主要得到以下結(jié)論：

(1)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場高風(fēng)速下三個(gè)方向的紊流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增大而減小，且順風(fēng)向紊流強(qiáng)度為0.18，大于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范建議值，而橫風(fēng)向和豎向風(fēng)速相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度均比橋梁抗風(fēng)規(guī)范值小；

(2)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向的陣風(fēng)因子均服從廣義極值分布，隨著計(jì)算時(shí)距的增大其分布概型逐漸由極值Ⅲ型轉(zhuǎn)變?yōu)闃O值Ⅱ型，且95%保證率條件下順風(fēng)向陣風(fēng)因子與建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)規(guī)范建議值一致；

(3)臺(tái)風(fēng)“布拉萬”遠(yuǎn)端風(fēng)場高風(fēng)速下三個(gè)方向陣風(fēng)因子隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的增大而減小，且陣風(fēng)因子隨陣風(fēng)計(jì)算時(shí)距的變換規(guī)律可以用對(duì)數(shù)高斯函數(shù)加以描述。

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