黃國(guó)慶, 彭留留, 廖海黎, 李明水

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心, 四川 成都 610031)

普立特大橋橋位處山區(qū)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究

黃國(guó)慶, 彭留留, 廖海黎, 李明水

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心, 四川 成都 610031)

為了獲取偏遠(yuǎn)山區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性,以普立特大橋橋位處風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目為研究背景,開發(fā)了基于無線傳輸?shù)母哳l風(fēng)速儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分析了橋位處的平均風(fēng)特性,并對(duì)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)與非高斯特性進(jìn)行了探討.研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)方法相比,新開發(fā)的無線傳輸系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)傳輸、成本低及無需現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì);橋位處的大風(fēng)期主要集中在2～4月份,且大部分發(fā)生在西南方向;在選取的強(qiáng)風(fēng)天氣中,出現(xiàn)山區(qū)雷暴風(fēng)的比例約為15%;實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)的平均風(fēng)攻角主要在-10°～0°范圍內(nèi)波動(dòng);擬合出的風(fēng)剖面指數(shù)波動(dòng)范圍為0～0.14,且其擬合概率密度分布的均值0.056明顯小于規(guī)范規(guī)定的最小值0.12,說明規(guī)范規(guī)定的風(fēng)剖面指數(shù)不足以描述山區(qū)風(fēng);山區(qū)風(fēng)出現(xiàn)了同時(shí)具有非平穩(wěn)與非高斯特性的風(fēng)速樣本,且其瞬時(shí)最大風(fēng)速可達(dá)22.0 m/s.

山區(qū)風(fēng)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；無線傳輸系統(tǒng)；平均風(fēng)特性；脈動(dòng)風(fēng)；非平穩(wěn)與非高斯

隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行,西部交通基礎(chǔ)設(shè)施得到迅速的發(fā)展,比如正在規(guī)劃和修建的川藏高速公路和川藏鐵路等.這些基礎(chǔ)設(shè)施大部分位于諸如青藏高原等高海拔高落差的山區(qū),考慮到高原地應(yīng)力活躍、地質(zhì)災(zāi)害多等因素,高墩大跨橋梁成為跨越深切峽谷的重要選擇.已建和在建的山區(qū)大跨度橋梁包括四渡河大橋、壩陵河大橋以及北盤江大橋等.

由于大跨度橋梁具有結(jié)構(gòu)剛度小和自振頻率低等特點(diǎn),風(fēng)荷載往往成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性荷載.目前,國(guó)內(nèi)各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)風(fēng)荷載的規(guī)定適用于平坦地形地貌各向同性風(fēng)場(chǎng)條件,對(duì)于復(fù)雜地形特別是山區(qū)峽谷地形的風(fēng)荷載,則需要通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或者地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行修正.其原因是山區(qū)峽谷的復(fù)雜地形地貌會(huì)導(dǎo)致氣流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜,從而引起風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)烈變化[1].

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)山區(qū)峽谷風(fēng)特性也開展了一些實(shí)測(cè)研究.如張玥等在禹門口黃河斜拉橋橋址處建立了風(fēng)觀測(cè)站,并利用自行開發(fā)的橋梁風(fēng)場(chǎng)特性分析系統(tǒng)分析了橋位處的脈動(dòng)風(fēng)特性[2].龐加斌等以鄂西山區(qū)的四渡河峽谷大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)該橋位處的峽谷風(fēng)特性展開了實(shí)測(cè)研究,并重點(diǎn)分析了其湍流特性[3].朱樂東等采用相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀對(duì)壩陵河大橋橋址處深切峽谷的風(fēng)剖面展開了實(shí)地觀測(cè),結(jié)果表明深切峽谷的豎向風(fēng)剖面已不能采用指數(shù)律或者對(duì)數(shù)律來描述[4].陳政清等人基于矮寨大橋的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,對(duì)山區(qū)風(fēng)場(chǎng)極值風(fēng)速與風(fēng)向、峽谷風(fēng)剖面以及高風(fēng)速樣本的湍流度等特性進(jìn)行了詳細(xì)分析[5].在上述實(shí)測(cè)研究中,高頻脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)的采集主要有數(shù)據(jù)采集器或者無線電發(fā)射和基站接收兩種方法,這兩種采集方法還存在較大的改進(jìn)空間.此外,上述研究對(duì)于山區(qū)脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)與非高斯特性也較少涉及.

在國(guó)外,山區(qū)風(fēng)特性的實(shí)測(cè)研究主要偏向于氣象、氣候以及環(huán)境等方面,如Turnipseed等為了研究復(fù)雜地形對(duì)紊流測(cè)量精度的影響,開展了山區(qū)復(fù)雜地形下的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究,得出了一些脈動(dòng)風(fēng)特性[6].Carrera等基于氣象站和北美地區(qū)再分析數(shù)據(jù)庫的風(fēng)速數(shù)據(jù),對(duì)山區(qū)風(fēng)的峽谷效應(yīng)進(jìn)行了研究[7].Cohn等通過風(fēng)廓線儀所實(shí)測(cè)出的隨時(shí)間和高度變化的風(fēng)速數(shù)據(jù),對(duì)越山氣流和回流的特性和結(jié)構(gòu)展開了研究[8].可見,針對(duì)于結(jié)構(gòu)物的山區(qū)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),國(guó)外的研究同樣比較少見.

本文以地處云南宣威的普立特大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)橋位處的風(fēng)場(chǎng)特性展開了實(shí)測(cè)研究.首先,對(duì)工程背景以及實(shí)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了介紹;隨后,針對(duì)于現(xiàn)有高頻風(fēng)速儀數(shù)據(jù)采集方法存在的一些問題,本文開發(fā)了一套更為實(shí)用和方便的基于無線傳輸?shù)母哳l風(fēng)速儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);其次,本文對(duì)橋位處的平均風(fēng)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析;最后,對(duì)橋位處實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)與非高斯特性展開了研究.

1 工程背景及實(shí)測(cè)項(xiàng)目概況

在建的普立特大橋是普立至宣威段高速公路跨越普立大溝的重要通道.主橋設(shè)計(jì)方案為主跨628 m的懸索橋,混凝土門式橋塔高度分別為153 m和138 m,主梁采用流線型扁平鋼箱梁.該橋?yàn)槲髂虾蜄|北走向,海拔高度為1 860 m.橋位地處偏僻,地形地貌起伏大,峽谷深,氣象氣候條件復(fù)雜多變,如圖1所示(圖片來源Google Earth).因此該橋位處設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)無法通過相關(guān)規(guī)范直接獲得,需要進(jìn)一步開展橋位處的風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究.

圖1 測(cè)風(fēng)塔的位置及周圍地形地貌Fig.1 Location of wind observation tower and surrounding topography

基于上述實(shí)際的工程背景,本文開展了山區(qū)風(fēng)特性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究.為此,在宣威側(cè)橋位處附近的一個(gè)無遮擋山頭建立了一個(gè)高50 m的觀測(cè)塔,如圖1所示.該測(cè)風(fēng)塔與宣威側(cè)錨定之間的直線距離約為150 m,測(cè)風(fēng)塔底部標(biāo)高為1 890 m,低于宣威側(cè)橋塔頂部標(biāo)高8 m,如圖2所示.

圖2 普立特大橋立面(單位:m)Fig.2 Vertical view of Puli Great Bridge(unit:m)

測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速儀布置如下:從10 m高度處開始,在高度方向上每間隔10 m設(shè)置一個(gè)NRG風(fēng)速儀,每間隔20 m安裝一個(gè)NRG風(fēng)向標(biāo).該類型風(fēng)速計(jì)最大記錄風(fēng)速可達(dá)96 m/s,采樣頻率為1 Hz,但每10 min輸出一個(gè)數(shù)據(jù).采用 GPRS無線傳輸?shù)姆绞街苯訉?shù)據(jù)發(fā)送到指定郵箱,因此使用起來非常方便.同時(shí),本文在測(cè)風(fēng)塔的30 m和50 m處分別安裝了一個(gè)楊氏三維超聲風(fēng)速儀,以便精確測(cè)量山區(qū)風(fēng)的三維脈動(dòng)特性,其采樣頻率為4 Hz.圖3為風(fēng)速儀的布置圖,圖3(a)為示意圖,圖3(b)為現(xiàn)場(chǎng)安裝圖.

(a)示意圖(b)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖圖3 風(fēng)速儀布置(單位:m)Fig.3 Layoutofanemometers(unit:m)

2 無線傳輸設(shè)備的開發(fā)

NRG風(fēng)速儀具有無線傳輸?shù)墓δ?因此可以很方便的地通過郵箱獲取采集到的10 min平均風(fēng)數(shù)據(jù).但是,在超聲風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)采集過程中,由于受到數(shù)據(jù)采樣頻率高、現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣、維護(hù)成本高等因素的影響,采集系統(tǒng)面臨著許多問題.在實(shí)測(cè)項(xiàng)目運(yùn)行期間,本文所采用的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)歷了以下3個(gè)階段.

第一階段使用的采集系統(tǒng)為有線采集系統(tǒng),即將風(fēng)速儀、信號(hào)放大器及電腦工控機(jī)等設(shè)備通過有線的方式連接起來,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集.這種較為原始的采集方法存在諸多問題,如需要在測(cè)風(fēng)塔旁邊設(shè)置固定的采集點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)電源供應(yīng)不穩(wěn)定、采集系統(tǒng)容易受到雷電的影響、需要專人維護(hù)以及維護(hù)成本較高等.

鑒于上述采集系統(tǒng)存在的問題,本研究開發(fā)了一套基于GPRS的無線傳輸系統(tǒng).該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)接收和處理單元以及電源供應(yīng)單元組成.數(shù)據(jù)采集單元即為所采用的超聲風(fēng)速儀.數(shù)據(jù)傳輸單位主要由遠(yuǎn)程終端模塊(RTU)組成,該模塊的主要功能是臨時(shí)緩存數(shù)據(jù)及無線發(fā)送數(shù)據(jù).此外,該模塊還具有定時(shí)重啟的功能,以避免長(zhǎng)期運(yùn)行出現(xiàn)的死機(jī)現(xiàn)象.數(shù)據(jù)接收和處理單元由云服務(wù)器、基于TCP的數(shù)據(jù)接收軟件以及數(shù)據(jù)處理軟件組成.其主要功能是接收RTU模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行處理,然后通過郵件系統(tǒng)發(fā)送到指定的郵箱.值得說明的是,由于網(wǎng)絡(luò)不通暢的原因,數(shù)據(jù)接收軟件可能會(huì)接收到?jīng)]有時(shí)間標(biāo)簽的緩存數(shù)據(jù),如何將它們按照時(shí)間順序還原是一個(gè)難題.為此,本文在數(shù)據(jù)處理軟件中開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)還原算法,以解決這個(gè)難題.電源供應(yīng)單元?jiǎng)t由太陽能供電系統(tǒng)組成,它為數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元供電.為了提高太陽能系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性,本文還開發(fā)了一個(gè)智能開關(guān)系統(tǒng).該系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定的風(fēng)速閥值自動(dòng)關(guān)閉和重啟數(shù)據(jù)采集和傳輸單元,以節(jié)省系統(tǒng)使用的電能.另外,在云服務(wù)器上,還開發(fā)了一個(gè)Web客戶端,以方便用戶實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù).

與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集器及無線電發(fā)射和基站接收兩種脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)采集方法相比,本文開發(fā)的無線傳輸系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)傳輸、成本低、無需現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、不受現(xiàn)場(chǎng)供電條件影響等優(yōu)勢(shì),具有較大的應(yīng)用前景.在實(shí)際運(yùn)行過程中,該套系統(tǒng)同樣也存在一些問題,如數(shù)據(jù)還原算法的不穩(wěn)定性以及風(fēng)速數(shù)據(jù)的局部丟包等.為此,本文在第三階段對(duì)現(xiàn)有的無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn).

改進(jìn)的無線傳輸系統(tǒng)與原來的系統(tǒng)最主要的區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸單元,如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)傳輸單元Fig.4 Data transmission unit

新的數(shù)據(jù)傳輸單元主要由主板、電源接口、傳感器接口、無線數(shù)傳終端模塊、天線、手機(jī)卡及SD卡組成.與原來的無線傳輸系統(tǒng)相比,改進(jìn)后的系統(tǒng)更加緊湊.更重要的是,從超聲風(fēng)速儀傳輸下來的數(shù)據(jù)首先會(huì)被打上時(shí)間標(biāo)簽,其格式如圖5所示.

然后,數(shù)據(jù)將以txt文件的形式存儲(chǔ)在SD卡里面.如數(shù)據(jù)采樣頻率為4 Hz,則2G的SD卡可以存儲(chǔ)至少3個(gè)月的數(shù)據(jù),從而保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)不斷電的情況下基本上不會(huì)丟失.每隔1個(gè)小時(shí),數(shù)傳模塊將包含有1個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)的文件發(fā)送到指定的云服務(wù)器.隨后,數(shù)據(jù)處理軟件只需簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)整合即可,并不需要較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)還原算法.由此可見,改進(jìn)后的無線傳輸系統(tǒng)可以很好地解決原來系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)還原算法不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)丟包等問題.

圖5 數(shù)據(jù)格式示意Fig.5 Schematic diagram of data format

3 平均風(fēng)特性

本實(shí)測(cè)項(xiàng)目從2013年2月9號(hào)開始采集數(shù)據(jù),到現(xiàn)在為止項(xiàng)目仍在運(yùn)行.目前,風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)截止到2014年10月24日.因此,本文著重對(duì)這段時(shí)間內(nèi)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)風(fēng)速觀測(cè)的強(qiáng)風(fēng)原則,本文在進(jìn)行平均風(fēng)特性的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)只選取了10 min平均風(fēng)速大于8 m/s的強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù).

3.1 平均風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)攻角

圖6為觀測(cè)期內(nèi)50 m高度處的日最大平均風(fēng)速分布圖.從圖6可以看出:實(shí)測(cè)地區(qū)的大風(fēng)期主要集中在每年的2～4月份,其它月份出現(xiàn)大風(fēng)的概率較小;觀測(cè)期內(nèi)所有日最大平均風(fēng)速的最大值出現(xiàn)在2014年3月5日,其值為13.8 m/s.

圖6 日最大平均風(fēng)速Fig.6 Daily maximum mean wind speed

圖7為50 m高度處的平均風(fēng)速風(fēng)向分布圖.從圖7可以看出,在觀測(cè)期內(nèi),平均風(fēng)速大于8 m/s的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向主要集中在西南方向,其比例可達(dá)80%以上,其次則是正東和正北偏西方向,這是由于實(shí)測(cè)場(chǎng)地剛好位于3條分別具有西南、正東以及正北偏西走向峽谷的交界點(diǎn),而其中西南走向的峽谷最寬,且與實(shí)測(cè)場(chǎng)地之間沒有明顯的障礙物.

圖7 風(fēng)速風(fēng)向分布圖Fig.7 Wind rose

圖8給出了50 m高度處兩個(gè)典型大風(fēng)天的10 min平均風(fēng)速變化趨勢(shì).圖中粗線顯示的平均風(fēng)速變化趨勢(shì)為典型的山區(qū)峽谷風(fēng)特性,即在凌晨和上午風(fēng)速很小,而在下午及上半夜風(fēng)速有個(gè)明顯的大范圍上升和下降的過程[9].圖中細(xì)線顯示的風(fēng)速變化趨勢(shì)為山區(qū)中典型的雷暴風(fēng)天氣,可以看出,在凌晨4點(diǎn)左右,風(fēng)速出現(xiàn)明顯的突變過程,這與常規(guī)山區(qū)風(fēng)的變化趨勢(shì)存在明顯區(qū)別.在56 d的強(qiáng)風(fēng)天氣中,有8 d出現(xiàn)了上述雷暴風(fēng),所占比例約為15%,說明山區(qū)雷暴風(fēng)較常出現(xiàn).由此可見,山區(qū)的氣候特性具有混合特性.因而按多個(gè)年最大風(fēng)速推算的極大值分布不一定服從極值Ⅰ型分布,而可能服從極值Ⅱ型分布[10].

圖8 典型大風(fēng)天平均風(fēng)速Fig.8 Typical mean wind speed in 10 min

圖9為統(tǒng)計(jì)出的30 m和50 m高度處的10 min平均風(fēng)攻角.從圖9可以看出:平均風(fēng)攻角大部分在-10°～0°范圍內(nèi)波動(dòng),出現(xiàn)該情況的主要原因?yàn)樯絽^(qū)復(fù)雜的地形地貌條件.此外,山區(qū)較為復(fù)雜的氣象氣候條件也是可能的原因;同時(shí)可以看到,50 m高度處的風(fēng)攻角離散程度要明顯大于30 m高度處的.隨著平均風(fēng)速的增大,風(fēng)攻角的離散程度在不斷地減弱.

圖9 平均風(fēng)攻角Fig.9 Mena wind attack angle

3.2 豎向風(fēng)剖面

眾所周知,我國(guó)橋梁規(guī)范[11]常使用指數(shù)律來描述平原地區(qū)的豎向風(fēng)剖面,其中風(fēng)剖面指數(shù)為重要的參數(shù).本文根據(jù)實(shí)測(cè)的山區(qū)強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù),采用最小二乘法得出所有擬合的風(fēng)剖面指數(shù).

根據(jù)得出的擬合指數(shù),本文挑選出了一些典型樣本,并繪制其風(fēng)剖面指數(shù)的擬合圖,如圖10所示.從圖10可以看出,樣本1和樣本2的擬合效果較好,而樣本3的擬合誤差較大.

圖10 典型樣本的風(fēng)剖面擬合Fig.10 Fitted wind profile of typical samples

圖11為所有風(fēng)剖面指數(shù)的概率密度分布圖.從圖11可以看出:除了0值附近,風(fēng)剖面指數(shù)的概率密度分布大體服從均值為0.056、標(biāo)準(zhǔn)差為0.032的高斯分布;此外,風(fēng)剖面指數(shù)的整體波動(dòng)范圍為0～0.14.可見,本文擬合的風(fēng)剖面指數(shù)離散性較大,且其擬合概率密度分布的均值0.056明顯小于規(guī)范規(guī)定值0.12～0.30[11].限于篇幅,本文的實(shí)測(cè)風(fēng)剖面特性有待進(jìn)一步詳細(xì)分析.

圖11 擬合風(fēng)剖面指數(shù)的概率密度分布Fig.11 PDF of fitted wind profile index

4 脈動(dòng)風(fēng)特性檢驗(yàn)

脈動(dòng)風(fēng)的數(shù)據(jù)采集開始于2013年3月份,到目前為止經(jīng)歷了一年半左右的時(shí)間.基于強(qiáng)風(fēng)原則,并考慮到山區(qū)雷暴風(fēng)的因素,本文從中挑選出了82段1 h的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù).值得說明的是,本文沒有采用10 min樣本進(jìn)行分析的主要原因是山區(qū)風(fēng)具有很明顯的非平穩(wěn)特性,因此10 min樣本還不足以包含整個(gè)風(fēng)速變化的過程.此外,1 h樣本也廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)分析[12-13].采用矢量法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解后,可以得到順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎風(fēng)向3個(gè)方向的瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)程.限于篇幅,本文只對(duì)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速的非平穩(wěn)與非高斯特性進(jìn)行檢驗(yàn),其它方向的脈動(dòng)風(fēng)特性留待以后進(jìn)行詳細(xì)的分析.

由于平均風(fēng)速的取值會(huì)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)非平穩(wěn)和非高斯特性的檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,因此本文分別采用剔除1 h平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速(實(shí)為6個(gè)階梯的時(shí)變平均風(fēng)速)以及時(shí)變平均風(fēng)速3種方法獲取最終的1 h順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程,以探討平均風(fēng)速取值對(duì)脈動(dòng)風(fēng)特性的影響.其中,時(shí)變平均風(fēng)速采用小波變換(Db20小波,分解8層)獲得[14].事實(shí)上,剔除上述三種不同時(shí)距的平均風(fēng)速相當(dāng)于將瞬時(shí)風(fēng)速中頻率分別低于1/3600、1/600及1/128 Hz部分的風(fēng)速剔除.

隨后,本文將每小時(shí)的脈動(dòng)風(fēng)速分為30段,采用輪次法檢驗(yàn)每個(gè)小時(shí)脈動(dòng)風(fēng)速的非平穩(wěn)性.對(duì)于樣本非高斯性的檢驗(yàn),目前主要有高階統(tǒng)計(jì)量和K-S檢驗(yàn)法等.經(jīng)過試算,K-S檢驗(yàn)法由于只有一個(gè)判別指標(biāo),其準(zhǔn)確性并不高.因此,本文采用高階統(tǒng)計(jì)量對(duì)樣本的非高斯性進(jìn)行判斷.參考本文實(shí)測(cè)結(jié)果以及其它文獻(xiàn)[15]提出的非高斯判別標(biāo)準(zhǔn),確定了高斯脈動(dòng)風(fēng)速的判斷標(biāo)準(zhǔn)為偏度的絕對(duì)值小于0.4且峰度介于2.5～3.5之間,反之則為非高斯.根據(jù)上述檢驗(yàn)的結(jié)果,本文將實(shí)測(cè)出的脈動(dòng)風(fēng)分為平穩(wěn)高斯(SG)、平穩(wěn)非高斯(SNG)、非平穩(wěn)高斯(NSG)以及非平穩(wěn)非高斯(NSNG)4類.

4.1 脈動(dòng)風(fēng)特性的檢驗(yàn)結(jié)果

表1為3種工況下的脈動(dòng)風(fēng)非平穩(wěn)與非高斯檢驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果.

從表1可以看出,1 h均值工況與10 min均值工況下的檢驗(yàn)結(jié)果相近,都是平穩(wěn)高斯樣本占據(jù)大多數(shù),但同樣存在不少具有非平穩(wěn)與非高斯特性的脈動(dòng)風(fēng)樣本.而剔除時(shí)變均值后,非平穩(wěn)樣本的數(shù)量沒有明顯變化,但非高斯樣本的數(shù)量明顯增加.可見,不同均值的剔除會(huì)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的非高斯特性造成較大的影響.其原因是時(shí)變均值的剔除會(huì)使脈動(dòng)風(fēng)的偏度值更接近于0,但峰度更偏離于3,從而造成脈動(dòng)風(fēng)更加偏離高斯分布.由于目前非平穩(wěn)風(fēng)速模型常將風(fēng)速分解為脈動(dòng)風(fēng)與時(shí)變均值之和.因此,本文后面的分析均采用剔除時(shí)變平均風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)特性檢驗(yàn)結(jié)果.

表1 不同分類下的樣本數(shù)Tab.1 Number of samples in different category

圖12繪制出了所有分類下,樣本瞬時(shí)風(fēng)速最大值的分布圖.

圖12 不同種類下的樣本瞬時(shí)風(fēng)速最大值Fig.12 Maximum wind speeds of samples in different category

從圖12可以看出,各個(gè)種類下的最大樣本瞬時(shí)風(fēng)速最大值分別為24.0、23.6、23.6和22.0 m/s,數(shù)值相差很小.這說明風(fēng)速樣本的脈動(dòng)風(fēng)在具有非平穩(wěn)或非高斯特性的同時(shí),其平均風(fēng)速仍然可能具有很大的強(qiáng)度.因此,山區(qū)風(fēng)完全有可能出現(xiàn)具有非平穩(wěn)和非高斯特性的強(qiáng)風(fēng)樣本.

4.2 典型的風(fēng)速時(shí)程

限于篇幅,本文只給出非平穩(wěn)高斯以及非平穩(wěn)非高斯兩種類別下的典型風(fēng)速時(shí)程.圖13～14分別給出了這兩種類別下,樣本的瞬時(shí)風(fēng)速、均值、脈動(dòng)風(fēng)速以及其概率密度分布.

(a) 瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)程和時(shí)變平均風(fēng)速

(b) 脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程

(c) 脈動(dòng)風(fēng)的概率密度分布圖13 風(fēng)速時(shí)程及脈動(dòng)風(fēng)的概率密度分布(NSG)Fig.13 Time histories and PDF of fluctuation (NSG)

從圖13可以看出,樣本明顯服從高斯分布,同時(shí)還具備一定的非平穩(wěn)性.圖14所示為從山區(qū)雷暴風(fēng)中挑選出的1 h樣本,從圖14可以看出,其脈動(dòng)風(fēng)具有明顯的非平穩(wěn)和非高斯特性.

(a) 瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)程和時(shí)變平均風(fēng)速

(b) 脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程

(c) 脈動(dòng)風(fēng)的概率密度分布圖14 風(fēng)速時(shí)程及脈動(dòng)風(fēng)的概率密度分布(NSNG)Fig.14 Time histories and PDF of fluctuation (NSNG)

5 結(jié) 論

本文以普立特大橋?yàn)楣こ瘫尘?開展了山區(qū)風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究.詳細(xì)闡述了開發(fā)的基于數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)母哳l風(fēng)速儀采集系統(tǒng),分析了橋位處風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)特性,并對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)和非高斯特性進(jìn)行了探討.通過上述研究,得出了如下結(jié)論:

與現(xiàn)有的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)采集方法相比,本文開發(fā)的無線傳輸設(shè)備具有較大的優(yōu)勢(shì),值得進(jìn)一步推廣; 橋址處的大風(fēng)期主要集中在2～4月份,強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向則主要集中在西南方向,實(shí)測(cè)期間山區(qū)雷暴風(fēng)較常出現(xiàn);實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)的平均風(fēng)攻角主要在-10°～0°范圍內(nèi)波動(dòng),擬合出的風(fēng)剖面指數(shù)離散性較大,且其擬合概率密度分布的均值0.056明顯小于規(guī)范規(guī)定值0.12-0.30;從本文的實(shí)測(cè)結(jié)果來看,山區(qū)風(fēng)出現(xiàn)了同時(shí)具有非平穩(wěn)和非高斯特性的風(fēng)速樣本,且其瞬時(shí)最大風(fēng)速可達(dá)22.0 m/s;時(shí)變平均值的剔除對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)特性影響不是很大,但對(duì)非高斯特性影響較大.

在本文的研究中,脈動(dòng)風(fēng)速的非高斯特性檢驗(yàn)方法是一個(gè)難點(diǎn),該部分內(nèi)容值得以后進(jìn)行更精細(xì)化的研究.此外,本文只對(duì)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)的非平穩(wěn)和非高斯特性進(jìn)行了探討,詳細(xì)的風(fēng)特性還有待進(jìn)一步分析.

致謝:感謝西南交通大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金資助.

[1] 李永樂,唐康,蔡憲棠,等. 深切峽谷區(qū)大跨橋梁的復(fù)合風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,45(2): 167-173.

LI Yongle, TANG Kang, CAI Xiantang, et al. Integrated wind speed standard for long-span bridges over deep-cutting corge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(2): 167-173.

[2] 張玥,胡兆同,劉健新. 西部山區(qū)地形的斜拉橋風(fēng)場(chǎng)特性研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(12): 154-159.

ZHANG Yue, HU Zhaotong, LIU Jianxin. Research on characteristics of wind field of cable-stayed bridge in the western mountainous areas[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 30(12): 154-159.

[3] 龐加斌,宋錦忠,林志興. 四渡河峽谷大橋橋位風(fēng)的湍流特性實(shí)測(cè)分析[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),2010,23(3): 42-47.

PANG Jiabin, SONG Jinzhong, LIN Zhixing. Field measurement analysis of wind turbulence characteristics of Sidu river valley bridge site[J]. China Journal of Highway and Transport, 2010, 23(3): 42-47.

[4] 朱樂東,任鵬杰,陳偉,等.壩陵河大橋橋位深切峽谷風(fēng)剖面實(shí)測(cè)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2011,25(4): 15-21.

ZHU Ledong, REN Pengjie, CHEN Wei, et al. Investigation on wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site via field measurement[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(4): 15-21.

[5] 陳政清. 工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng).穩(wěn)定與控制[M]. 北京,科學(xué)出版社,2013: 180-255.

[6] TURNIPSEED A A,ANDERSON D E, BLANKEN P D, et al. Airflows and turbulent flux measurements in mountainous terrain: Part 1. canopy and local effects[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 119(1): 1-21.

[7] CARRERA M L,GYAKUM J R, LIN C A. Observational study of wind channeling within the St. Lawrence River Valley[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2009, 48(11): 2341-2361.

[8] COHE A S, GRUBISIC V, BROWN J O W. Wind profiler observations of mountain waves and rotors during T-REX[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2011, 50: 826-843.

[9] DEFANT F.Local winds. Compendium of Meteorology[M]. Boston: American Meteorological Society, 1951: 655-672.

[10] COOK N J.Confidence limits for extreme wind speeds in mixed climates[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2004, 92(1): 41-51.

[11] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JTG/T D60-01-2004). 公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社,2004: 6-8.

[12] XU Y,CHEN J.Characterizing nonstationary wind speed using empirical mode decomposition[J]. Journal of Structural Engineering, 2004, 130(6): 912-920.

[13] HUANG G, ZHENG H, XU Y, et al. Spectrum models for nonstationary extreme winds[J]. Journal of Structural Engineering(ASCE), 2015, http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)ST. 1943-541X.0001257, in press.

[14] SU Y, HUANG G, XU Y. Derivation of time-varying mean for nonstationary downburst winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 141: 39-48.

[15] KUMAR K S, STATHOPOULOS T. Wind loads on low building roofs: a stochastic perspective[J]. Journal of Structural Engineering, 2000, 126(8): 944-956.

黃國(guó)慶(1976—),博士,國(guó)家青年千人計(jì)劃及四川省百人計(jì)劃入選者,2011年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為土木工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和橋梁風(fēng)致動(dòng)力分析、隨機(jī)振動(dòng)、極值分析、概率風(fēng)荷載分析.發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,其中20余篇為國(guó)際著名期刊論文.承擔(dān)和參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、四川省青年項(xiàng)目等,獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng).現(xiàn)為包含ASCE主辦的多本國(guó)際著名期刊的審稿人,國(guó)際知名SCI期刊“Wind and Structures, An International Journal”編委,世界銀行橋梁工程咨詢專家.

E-mail:ghuang1001@gmail.com.

彭留留(1988—),博士研究生,2012年起至今就讀于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程專業(yè).研究方向?yàn)榉瞧椒€(wěn)風(fēng)的實(shí)測(cè)、建模、模擬及其對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析.發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇,其中2篇為SCI檢索的國(guó)際著名期刊論文,國(guó)內(nèi)EI檢索論文4篇.承擔(dān)西南交通大學(xué)博士生創(chuàng)新基金一項(xiàng),主研和參研國(guó)家自然科學(xué)基金等5項(xiàng),獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng).2015年榮獲西南交通大學(xué)國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金,2015年9月至今受國(guó)家留學(xué)基金委資助赴美國(guó)德州理工大學(xué)訪學(xué)一年.

E-mail:pll234@163.com

(中、英文編輯:徐 萍)

Field Measurement Study on Wind Characteristics at Puli Great Bridge Site in Mountainous Area

HUANGGuoqing,PENGLiuliu,LIAOHaili,LIMingshui

(Research Center for Wind Engineering, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To obtain the wind characteristics in mountainous area, the wind field measurement at Puli Great Bridge site was conducted. A data collection system for high-frequency wind speed based on wireless transmission was developed. The mean wind characteristic was analyzed. The non-stationarity and non-gaussianity of the fluctuating wind were investigated. The results show that the new system has the advantages of real-time transmission, low cost and no field monitoring compared with the traditional method. The majority of strong wind occurs from February to April annually in the southwest direction. The proportion of the thunderstorm is about 15%among the selected strong wind during the field measurement. The wind attack angle varies from -10 to 0 degrees. The wind profile index ranges from 0 to 0.14,and the mean value of the probability density distribution is 0.56 which is less than 0.12, its minimum in the specification. It illustrates that the wind profile in the mountainous area cannot be well described by the specification. The wind speed sample with both non-stationarity and non-guassianity is measured in the mountainous area, and its instantaneous maximum speed can reach to 22.0 m/s.

mountainous area wind; field measurement; wireless transmission system; mean wind characteristics; fluctuating wind;non-stationarity and non-gaussianity

2014-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578471); 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408504);交通運(yùn)輸部西部課題資助項(xiàng)目(201231835250)

黃國(guó)慶,彭留留,廖海黎,等. 普立特大橋橋位處山區(qū)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 349-356.

0258-2724(2016)02-0349-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.014

P412.16

A