張 寒，王 浩，徐梓棟，陶天友，茅建校，郜 輝

（東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇 南京 211189）

引言

近年來，全球臺風災害頻發(fā)，造成大量工程結構破壞與倒塌，給人類社會帶來巨大的經(jīng)濟損失和慘重的人員傷亡。中國是受臺風災害影響最為嚴重的國家之一，尤其是東南部沿海地區(qū)常年遭受西北太平洋臺風侵襲［1］，導致區(qū)域性重復受災，大跨度橋梁等風敏感結構的安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)［2］。隨著蘇通長江大橋、五峰山長江大橋、滬通長江大橋等一系列世界級橋梁工程的陸續(xù)建成，以及張皋長江大橋、瓊州海峽大橋等超大型橋梁的規(guī)劃和設計，中國橋梁工程正朝著更大跨、更纖細的方向迅速發(fā)展，對橋梁結構的抗風安全提出了更高的要求。

準確的橋址區(qū)風特性是橋梁結構抗風設計與研究的重要依據(jù)。當前，橋梁結構設計風特性參數(shù)主要來源于規(guī)范推薦值，一般由區(qū)域氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。然而，長期統(tǒng)計結果涵蓋臺風和良態(tài)風等多種資料，難以有效反映強臺風特性［3］。此外，臺風空間位置的改變導致固定橋址區(qū)風特性不斷發(fā)展［4-5］，單一統(tǒng)計結果未體現(xiàn)臺風移動過程橋址區(qū)風特性演變特征。為此，有必要研究臺風移動對風特性的影響，揭示橋址區(qū)風特性與臺風空間位置的關系，實現(xiàn)臺風全過程橋址區(qū)風特性的準確估計，從而為橋梁設計與運維提供有效參考。

在臺風特性的空間分布方面，Holland［6］提出了臺風氣壓場的解析模型，實現(xiàn)了臺風氣壓場的表征。此后，Meng 等［7］和Vickery 等［8］通過現(xiàn)場觀測和理論分析提出了更為精細化的臺風風場解析模型，量化了臺風風速的空間分布規(guī)律。在此基礎上，F(xiàn)ang等［4］通過大量觀測，提出了適用于中國東南沿海臺風區(qū)域特征的風場解析模型，為臺風多發(fā)地區(qū)工程結構抗風設計提供了有效參考。然而，上述風場解析模型大多反映了臺風的平均風場特性，較少體現(xiàn)脈動風特性在臺風場中的空間分布規(guī)律，可同時刻畫橋址區(qū)脈動風特性的臺風模型則更為少見。已有研究表明，脈動風特性對大跨度橋梁結構風效應影響顯著［5，9］。因此，有必要在臺風平均風場解析模型的基礎上，研究脈動風特性的空間分布模型，以進一步補充完善臺風工程解析模型?，F(xiàn)場實測是獲取脈動風特征最直接和最有效的手段之一。此前，國內(nèi)外已有多位學者基于實測進行了臺風脈動風特性參數(shù)的統(tǒng)計研究。Xu 等［10］利用青馬大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)（Structural Health Monitoring System，SHMS）進行了“勝利”臺風的風特性研究。Wang等［5］基于SHMS 研究了蘇通大橋實測臺風特性。Shu 等［11］采用氣象站長期實測數(shù)據(jù)研究了臺風的陣風因子特性。

本文利用蘇通大橋SHMS 多次臺風實測風速樣本，在考慮臺風移動過程的基礎上，驗證了臺風工程解析模型在預測橋址區(qū)平均風場方面的有效性，分析了湍流強度、陣風因子、湍流積分尺度等脈動風特性參數(shù)隨橋址區(qū)和臺風中心距離的變化規(guī)律，研究了脈動風特性參數(shù)的空間分布模型。

1 橋址區(qū)強風實測

1.1 風環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

蘇通大橋SHMS 風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)由4 組三維超聲風速儀組成［5］，分別為跨中上游風速儀MS4，跨中下游風速儀MS4'，北塔頂風速儀MS2，南塔頂風速儀MS6，如圖1 所示。上述風速儀風速量程0～70 m/s，測試精 度0.01 m/s；風向測 量范圍0°～359.9°，測試精度0.1°。在實際測量中，風速儀僅開啟二維模式，正北方向設定為0°風向，順時針變化為正方向，采樣頻率設定為1 Hz。

圖1 蘇通大橋風環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（單位：m）Fig.1 Anemometers installed on Sutong Bridge（Unit：m）

1.2 臺風現(xiàn)場實測

利用蘇通大橋風環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可有效獲取臺風過境期間橋址區(qū)的風速和風向觀測資料。通過對長期實測資料的篩分，本文選取了2012 年至2019 年間4 次記錄較為完整的臺風實測樣本，如表1 所示。此外，圖2 給出了4 次臺風路徑軌跡與蘇通大橋位置的空間關系示意，其中臺風路徑數(shù)據(jù)來源于中國氣象局。

表1 實測臺風概況Tab.1 Recorded typhoons

圖2 臺風路徑示意Fig.2 The tracks of the recorded typhoons

結合表1 和圖2 可知，上述4 次臺風均以較近距離經(jīng)過蘇通大橋，塔頂和跨中實測風速均較高。其中，塔頂最大瞬時風速為57.2 m/s，跨中最大瞬時風速高達33.0 m/s。此外，臺風“溫比亞”過境期間，橋面風力達到十級，一根斜拉索的阻尼器連接螺栓脫落，導致大橋封閉，引發(fā)社會廣泛關注。

2 考慮臺風空間位置的平均風特性

2.1 平均風速時程

本文采用Fang 等［3-4］發(fā)展的臺風平均風場解析模型。該模型由Fang 等根據(jù)西北太平洋臺風最佳路徑數(shù)據(jù)和長期現(xiàn)場實測資料研究得到。為驗證已有平均風速模型的適用性，本文根據(jù)中國氣象局提供的臺風路徑數(shù)據(jù)，采用Fang 模型模擬了上述4 次臺風過境期間橋址區(qū)的平均風速時程。值得注意的是，《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］給出的平均風速基本時距為10 min，與臺風路徑數(shù)據(jù)1 h 的記錄間隔存在差異。因此，本文采用線性插值方法對臺風路徑數(shù)據(jù)展開預處理，從而得到10 min 間隔的路徑數(shù)據(jù)，進而為后續(xù)臺風平均風特性和脈動風特性分析提供便利。在此基礎上，模擬了4 次臺風期間蘇通大橋南塔頂位置的平均風速時程，并與實測風速樣本進行了對比，結果如圖3所示。

圖3 實測臺風風速樣本與理論模擬風速Fig.3 Measured typhoon wind speed samples and theoretical simulated wind speed

由圖3 可知，橋址區(qū)實測臺風風速變化主要分為兩類趨勢。第一類趨勢，臺風逐漸靠近橋址區(qū)引起風速升高，接著臺風中心經(jīng)過橋址區(qū)，導致實測風速發(fā)生先降低再升高的突變，此后臺風遠離橋址區(qū)，風速逐漸下降，如圖3（c）和（d）所示。第二類趨勢，臺風靠近橋址區(qū)再逐漸遠離，但臺風中心未經(jīng)過橋址區(qū)，實測風速表現(xiàn)為先升高再降低，如圖3（a）和（b）所示。對于第一類變化趨勢，理論模擬風速時程可反映臺風風眼過境時出現(xiàn)的“M”型變化過程，但在臺風風眼過境時模擬風速相對實測風速偏高。對于第二類變化趨勢，理論模擬風速時程與實測結果吻合較好，理論模型可有效模擬臺風期間橋址區(qū)風速變化特點。結合圖2 可知，臺風中心路徑與橋梁位置較為接近時，如“利奇馬”和“溫比亞”，理論模型計算風速與實測結果存在一定差異。反之，臺風中心路徑距橋梁位置相對較遠時，理論模型計算風速可較好地預測實際風速。

2.2 平均風速剖面

平均風速豎向分布是結構抗風設計中的關鍵要素。中國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］中采用指數(shù)律模型來描述風速沿豎直高度方向的分布。指數(shù)律風速剖面模型作為一種經(jīng)驗模型被廣泛應用于橋梁、建筑等結構抗風設計與分析領域。然而，已有研究表明，臺風風場中的風剖面指數(shù)在較大范圍內(nèi)變化，且與觀測點距風場中心距離有關。因此，現(xiàn)有固定指數(shù)的風剖面模型不適用于臺風全過程橋梁抗風設計。本文利用達維、?？?、溫比亞和利奇馬4 次臺風期間塔頂和跨中兩個高度處的實測風速，以T=10 min 為基本時距計算了上述兩個高度處的平均風速，據(jù)此分析得到臺風過境期間的風剖面指數(shù)，并研究了該指數(shù)與橋址區(qū)和臺風中心距離L的變化關系，結果如圖4所示。

由圖4 可知，在距臺風中心50 km 以上的外圍區(qū)域，橋址區(qū)實測風剖面指數(shù)在0.2～0.6 范圍內(nèi)圍繞特定值波動，與參考文獻［13］研究結果相符。臺風達維、海葵、溫比亞、利奇馬過境期間的實測風剖面指數(shù)分別 為0.3863，0.3814，0.3673 和0.3786，表明各次臺風過境期間，該參數(shù)基本保持一致。根據(jù)上述4 次臺風實測結果計算得到橋址區(qū)平均風剖面參數(shù)為0.3784，大于《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）［12］中推薦 的最大 值0.3。在距臺風中心50 km 以內(nèi)的區(qū)域，由于風速變化劇烈，風剖面指數(shù)變化較大，且相對低于外圍區(qū)域。值得注意的是，受限于橋上既有風環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本文所采用的4 個風速儀的安裝位置不在同一豎線上，且僅采用兩點的風速不足以推算出更精確的風剖面指數(shù)。因此，有必要進一步積累臺風全域實測風速數(shù)據(jù)，以進一步研究平均風速的空間分布規(guī)律。

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3 考慮臺風空間位置的脈動風特性

3.1 湍流強度

為研究湍流強度空間分布特性，首先，以T=10 min 為基本時距，計算了達維、?？?、溫比亞和利奇馬4 次臺風期間橋塔頂順風向脈動風速均方差，并研究了脈動風速均方差隨L的變化規(guī)律，結果如圖5 所示。

圖5 實測脈動風速均方差隨L 的變化關系Fig.5 Standard deviation of measured fluctuating wind speed varied with L

由圖5 可知，4 次臺風實測脈動風速均方差變化趨勢相似，均表現(xiàn)為隨橋址區(qū)與臺風中心距離增大而減小。上述現(xiàn)象表明，距離臺風中心越近的區(qū)域，風速脈動程度越高。根據(jù)上述變化趨勢，線性擬合得到脈動風速均方差σu隨距離L變化的關系表達式為：

上述關系式對應圖5 中的虛線，除臺風利奇馬脈動速度均方差離散程度相對較大外，式（1）可反映實測臺風脈動風速均方差隨L的大致變化趨勢。在此基礎上，采用上述理論表達式反算不同距離位置脈動風速均方差，據(jù)此模擬4 次臺風過境時的順風向湍流強度，與實測結果進行對比，如圖6 所示。

圖6 實測湍流強度與理論模擬結果Fig.6 Measured turbulence intensity and theoretical simulation results

由圖6 可知，理論模擬湍流強度與實測結果吻合，二者變化趨勢和變化范圍基本一致，驗證了解析表達式的有效性。此外，由圖6（d）可知，臺風利奇馬中心經(jīng)過橋址區(qū)，實測湍流強度高于理論模擬結果，但在靠近臺風中心的區(qū)域內(nèi)，理論模擬可反映出實測湍流強度較高的特點。

3.2 陣風因子

已有研究表明，陣風因子與湍流強度具有較強的相關性。陣風因子與湍流強度之間的關系常用下式表達［5］：

式中Gu為陣風因子；Iu為湍流強度；k1和k2為待定參數(shù)；T為基本時距；陣風持續(xù)期tg一般取為3 s。

計算4 次臺風過境期間塔頂陣風因子，并采用式（2）表達陣風因子和湍流強度之間的關系，從而擬合得到參數(shù)k1和k2分別為0.2381 和0.7638，實測結果和擬合結果如圖7 所示。

圖7 陣風因子與湍流強度的關系Fig.7 Relationship between gust factor and turbulence intensity

由圖7 可知，臺風過境期間，橋址區(qū)陣風因子主要集中在1～1.5 的范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)，由擬合結果可知，式（2）所示非線性表達式可有效表征陣風因子和湍流強度之間的關聯(lián)。此外，盡管少量高湍流區(qū)的實測數(shù)據(jù)與上述關系差異較大，但該表達式總體上與實測結果吻合較好。因此，基于上述關系模型，可在模擬湍流強度的基礎上，進一步展開陣風因子的模擬，結果如圖8 所示。

圖8 實測陣風因子與理論模擬結果Fig.8 Measured gust factor and theoretical simulation results

由圖8 可知，模擬的陣風因子與實測結果吻合較好，表明采用理論模型可有效預測臺風過境期間橋址區(qū)陣風因子。隨著距離L的增大，陣風因子整體上呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的變化趨勢，表明在臺風中部高風速區(qū)域陣風效應較強，在臺風外圍區(qū)域陣風效應相對較弱。

3.3 湍流積分尺度

對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)為：

式中x為隨機變量；μ和σ分別為變量對數(shù)的平均值和標準差。

為研究臺風過境期間橋址區(qū)湍流積分尺度的空間分布特征，將橋址區(qū)與臺風中心的距離L劃分為0～100，100～200，200～300，300～400，400～500，500～600 和600～700 km 共7 個區(qū)間。計算各距離區(qū)間內(nèi)的順風向湍流積分尺度，并利用式（3）擬合各區(qū)間湍流積分尺度的概率密度分布，結果如圖9所示。

圖9 不同距離區(qū)間湍流積分尺度概率分布特征Fig.9 Turbulence integral scale probability distribution in different distance intervals

由圖9 可知，各距離區(qū)間內(nèi)實測湍流積分尺度均集中在小于500m的范圍內(nèi)，在大于500m的范圍分布較少。此外，對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的概率密度擬合結果與實測結果吻合較好，可有效反映湍流積分尺度的概率分布特征。在此基礎上，利用擬合得到的對數(shù)正態(tài)分布均值，計算各距離區(qū)間內(nèi)的平均湍流積分尺度，以代表該區(qū)間內(nèi)的湍流積分尺度。同時，采用各距離區(qū)間中間值代表橋址區(qū)與臺風中心的距離，以研究橋址區(qū)湍流積分尺度隨距離的變化關系。然而，由于臺風中心區(qū)域內(nèi)風場變化劇烈，僅有的少量的實測數(shù)據(jù)難以反映此區(qū)域內(nèi)湍流積分尺度的空間變化規(guī)律。為此，本文僅采用線性擬合的方式，建立臺風中心區(qū)域以外湍流積分尺度Lu的空間分布模型：

相應的擬合結果如圖10 所示。

圖10 湍流積分尺度隨L 的變化關系Fig.10 Relationship between the turbulence integral scale and L

由圖10 可知，湍流積分尺度隨著距離的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在距臺風中心50 km 左右的區(qū)域內(nèi)，湍流積分尺度較小。隨著距離增大到距臺風中心150 km 左右，湍流積分尺度達到峰值，研究表明此區(qū)域一般為臺風的高風速區(qū)域。在高風速區(qū)外圍，隨著距離進一步增大，湍流積分尺度以近似線性的變化趨勢逐漸減小，并在距臺風中心650 km 左右的區(qū)域減小至初始水平。此外，在臺風中心區(qū)域以外，所建立的湍流積分尺度空間分布關系模型可反映湍流積分尺度的基本變化特征。

4 結論

（1）基于臺風風場解析模型和臺風路徑數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)臺風過境期間橋址區(qū)平均風速時程模擬。在臺風路徑未經(jīng)過橋址區(qū)的情況下，模擬效果相對較好。

（2）在臺風中心以外區(qū)域，各次臺風期間實測風剖面指數(shù)相近，在0.2～0.6 范圍內(nèi)圍繞特定值波動，且基本不隨橋址區(qū)與臺風中心距離的變化而變化。

（3）橋址區(qū)實測脈動風速均方差隨橋址區(qū)與臺風中心距離的增大而減小，且整體表現(xiàn)為線性變化趨勢。利用此線性變化趨勢，可有效模擬橋址區(qū)湍流強度的空間分布特征。結合陣風因子與湍流強度的非線性關系，可進一步實現(xiàn)陣風因子的有效反演。

（4）湍流積分尺度隨著橋址區(qū)與臺風中心距離的增加而先增大后減小。在臺風中心以外區(qū)域，所建立的湍流積分尺度空間分布關系模型可反映湍流積分尺度的基本變化特征。