臺風(fēng)中心對南廣鐵路臺風(fēng)鯨魚影響實測研究

臺風(fēng)中心對南廣鐵路臺風(fēng)鯨魚影響實測研究

隨著“海上絲綢之路”國家戰(zhàn)略的建設(shè)，高速鐵路橋梁逐漸向更大、更廣的海上和連島工程的通道進攻。隨著直徑的增加，跨境橋梁的結(jié)構(gòu)剛性和耐腐蝕性不斷下降，復(fù)雜氣候環(huán)境和臺風(fēng)等極端天氣的敏感性也得到了提高。總體上,我國臺風(fēng)實測研究與發(fā)達國家相比還相對薄弱且遠(yuǎn)不夠系統(tǒng),且目前研究大多是針對公路橋梁橋址區(qū),對高速鐵路橋位處臺風(fēng)近地特性的場地實測仍然非常匱乏.高速鐵路車-橋耦合系統(tǒng)對于強風(fēng)作用極為敏感,為保障其在復(fù)雜氣候環(huán)境不同時空分布特征條件下的安全運營,對橋址區(qū)強/臺風(fēng)特性開展實測研究具有重大而緊迫的工程意義.1中承式鋼箱提籃系新建南廣鐵路肇慶西江特大橋位于廣東省肇慶境內(nèi),已于2014年12月26日正式通車運營.該橋孔跨布置為(25+50+386+50+49)m,拱腳中心距450m,矢跨比1/4,拱肋內(nèi)傾角4.8°,橋面距拱頂73.53m,鋼混結(jié)合梁體系,是國內(nèi)首座中承式鐵路鋼箱提籃拱橋,同時也是目前世界高速鐵路最大跨度的中承式鋼箱提籃拱橋(圖1).大橋跨越西江,兩側(cè)均為高山,屬于典型山區(qū)地形,受南海海洋氣候影響,是臺風(fēng)活動侵襲經(jīng)過的地區(qū)之一.年平均3.1次臺風(fēng)影響,最高風(fēng)力可達12級以上.2風(fēng)速儀作為后期管養(yǎng)的重要輔助手段,大橋在建設(shè)時安裝了一套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),其中包括風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng).該系統(tǒng)采用4臺英國Gill公司的Windsonic型二維超聲風(fēng)速儀,分別布置于橋面上游邊跨兩側(cè)、跨中及拱頂,南寧(1#)和廣州側(cè)(3#)風(fēng)速儀分別距跨中(2#)270m和291m,拱頂風(fēng)速儀(4#)距橋面73.53m.為避免風(fēng)速儀的安裝干擾橋梁自身風(fēng)場,采用鍍鋅鋼管對風(fēng)速儀進行固定,跨中風(fēng)速儀固定于跨中航標(biāo)平臺并高出橋面1.5m,其余風(fēng)速儀的固定均各自高出橋面或拱頂3m.風(fēng)速儀編號及具體布置見圖1所示,現(xiàn)場布置見圖2所示.Windsonic風(fēng)速測試范圍為0~60m/s,量程精度±2%;風(fēng)向測試范圍0~359°,精度±3°.風(fēng)速儀采用全天候工作模式,采集頻率為1Hz.2015年第8號臺風(fēng)“鯨魚”(英文名:Kujira,1508號熱帶氣旋)于6月21日11時在中國南海中部海面生成,當(dāng)日23時左右加強為強熱帶風(fēng)暴,并開始逐步向海南東部和廣東西部沿海區(qū)域靠近.23日9時左右,臺風(fēng)外圍襲擊了廣東省肇慶市,至當(dāng)日23時基本出境.安裝于西江特大橋之上的風(fēng)速風(fēng)向健康監(jiān)測子系統(tǒng)實時采集了“鯨魚”臺風(fēng)影響肇慶地區(qū)的全過程數(shù)據(jù).本文根據(jù)臺風(fēng)到達和離開橋址區(qū)的時間,選取了11:00~20:00之間大橋拱頂觀測點長達10h的實測數(shù)據(jù)進行研究.盡管本次臺風(fēng)未在橋址區(qū)正面登陸,且受橋址附近山區(qū)地形影響,風(fēng)速已發(fā)生減弱,但所采集到的風(fēng)速最高值仍有近24m/s,仍然具有較強的臺風(fēng)共性規(guī)律及工程研究價值.3隨機風(fēng)特性分析大跨度橋梁結(jié)構(gòu)主要受橋址區(qū)大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性(即近地風(fēng)特性)影響,從工程抗風(fēng)角度出發(fā),且為了研究方便,隨機的自然風(fēng)可以分解成不隨時間變化的平均風(fēng)以及隨時間變化的零均值脈動風(fēng)兩部分的疊加3.1平均風(fēng)速與速度平均風(fēng)特性包括平均風(fēng)速、平均風(fēng)向以及風(fēng)速沿高度的分布規(guī)律等.利用小波變換方法由圖3可知,臺風(fēng)“鯨魚”外圍經(jīng)行橋址區(qū)過程中,1min平均風(fēng)速在整個0m/s~20m/s范圍內(nèi)波動幅度較大,且局部區(qū)域具有一定跳躍性,最大風(fēng)速值為19.7m/s(第一次峰值),出現(xiàn)在第272個樣本點,對應(yīng)時段為23日下午15時31分~33分.臺風(fēng)期間風(fēng)速變化顯著,11時~14時段內(nèi)平均風(fēng)速呈現(xiàn)交替變化,波動較大,但總體分布于3.5m/s~6.5m/s之間;15時~16時40分左右,平均風(fēng)速在短時內(nèi)劇烈攀升,并在約30min之內(nèi)先后經(jīng)歷3次峰值,分別為19.7m/s,15.1m/s以及12.8m/s;自16時40分起,臺風(fēng)風(fēng)速開始急劇衰減,至17時~17時30分左右,平均風(fēng)速甚至趨近于0m/s,之后在臺風(fēng)出境之前約3個小時之內(nèi),平均風(fēng)速又有回升,但總體保持在4m/s左右上下波動,最大值約6.2m/s.總結(jié)起來,臺風(fēng)外圍持時短,且與通常意義上的臺風(fēng)三段模型及七段模型均有不同,外圍風(fēng)場存在一個短時強烈階躍,并伴隨風(fēng)速的逐級衰減,風(fēng)速跳躍性強,甚至出現(xiàn)短時風(fēng)速為零的時段.圖4給出了西江特大橋主拱拱頂在臺風(fēng)“鯨魚”期間的1min平均風(fēng)向玫瑰圖,可以看出,1min平均風(fēng)向主要出現(xiàn)在SSE,SE和S3個方向,風(fēng)向頻率分別為21.8%,32.2%和23.1%,風(fēng)向變化相對較穩(wěn)定,大橋在臺風(fēng)過境期間主要受東南風(fēng)影響較大.3.2縱向陣風(fēng)因子臺風(fēng)“鯨魚”過境期間,西江特大橋拱頂實測紊流強度和陣風(fēng)因子的概率分布如圖5和圖6所示.圖5中橫坐標(biāo)每隔0.10作為一個計算區(qū)間(例如橫坐標(biāo)0.30表示計算區(qū)間為[0.20,0.40],橫坐標(biāo)0.50表示計算區(qū)間為[0.40,0.60],以此類推),縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的概率分布值(下文中的概率分布圖橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)含義相同).由于我國規(guī)范由圖6和圖8可知,紊流強度和陣風(fēng)因子盡管描述方法不同,但兩者呈現(xiàn)出相似的概率分布規(guī)律,縱向陣風(fēng)因子最大值、最小值分別為7.523,1.071,平均值為1.565;橫向陣風(fēng)因子最大值、最小值分別為5.083,0.056,平均值為0.442.總體來講,雖然橋址區(qū)域水面開闊,主拱拱頂受西江兩岸復(fù)雜峽谷地形的干擾相對較小,但臺風(fēng)過境時橋址區(qū)風(fēng)場仍呈現(xiàn)出強烈的脈動特性.圖7和圖8描述了紊流強度、陣風(fēng)因子與1min平均風(fēng)速的相關(guān)性.可以發(fā)現(xiàn),湍流度和陣風(fēng)因子有隨平均風(fēng)速的增大而減小的趨勢特征,且在低平均風(fēng)速段這一趨勢更為明顯,并隨著風(fēng)速的增加逐漸變緩.這主要是由于平均風(fēng)速越大,大氣邊界層穩(wěn)定性越高,受地貌地物的干擾也越小,從而促發(fā)風(fēng)的脈動特性減弱,風(fēng)場趨于平穩(wěn).為研究紊流強度與陣風(fēng)因子的相關(guān)性規(guī)律,采用最小二乘法擬合原理,對西江特大橋拱頂實測臺風(fēng)樣本進行了線性回歸分析.從圖9可以看出,紊流強度縱、橫向分量之間具有很強的線性相關(guān)性,擬合后兩參數(shù)之間的關(guān)系表達式為I作為描述自然風(fēng)脈動強度的重要參數(shù),紊流強度和陣風(fēng)因子各自的方法和側(cè)重點雖有不同,但二者之間仍然具有密切的線性比例關(guān)系.圖11(a)和圖11(b)分別給出了縱、橫向紊流強度與相應(yīng)的縱、橫向陣風(fēng)因子之間的相關(guān)性及擬合關(guān)系式,可以看出陣風(fēng)因子隨著紊流度的增大有增大趨勢,在表征脈動風(fēng)湍流特性過程中,兩者在趨勢上具有一致性.3.3紊流積分尺度與平均風(fēng)速的關(guān)系實測紊流積分尺度的概率分布如圖12所示.據(jù)圖12和圖13可知,臺風(fēng)“鯨魚”實測積分尺度概率分布較為集中,其中縱向積分尺度L紊流積分尺度與平均風(fēng)速及紊流強度之間的相關(guān)性描述分別見圖13和圖14所示.由圖可知,紊流積分尺度與平均風(fēng)速之間相關(guān)性較強,表現(xiàn)出隨平均風(fēng)速的減小而降低的趨勢.其原因在于,當(dāng)流場風(fēng)速變小時,近地層中的大尺度渦旋迅速破碎轉(zhuǎn)化為一系列的小尺度渦旋,此時風(fēng)場脈動特性增強.此外還發(fā)現(xiàn),隨著平均風(fēng)速的增加,其積分尺度的離散度也略有增大.無論是縱向或橫向分量,紊流積分尺度均隨該方向的紊流強度的增加而快速減小,且這一趨勢在縱向分量中表現(xiàn)更為明顯.3.4脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)風(fēng)速的功率譜密度是自然風(fēng)湍流特性的主要數(shù)字特征,表征湍流能量在頻域中的分布,能夠在頻域內(nèi)精確地描述不同尺度渦旋的動能對湍流脈動動能的貢獻.水平向風(fēng)譜應(yīng)用較廣的是1972年提出的Kaimal譜,目前我國規(guī)范也采用該脈動風(fēng)譜,其表達式為:式中:S臺風(fēng)期間實測大橋拱頂?shù)湫惋L(fēng)速時段水平向功率譜與Kaimal譜對比見圖15(a)和圖16(a)所示.可以發(fā)現(xiàn),規(guī)范推薦的Kaimal譜與實測“鯨魚”臺風(fēng)水平向脈動風(fēng)譜函數(shù)并不能很好地符合.以順風(fēng)向為例,實測風(fēng)譜除了在[0.0005,0.0016]及[0.474,0.500]頻段大于Kaimal之外,其余頻段均偏低,表明實際條件下臺風(fēng)“鯨魚”具有低頻段和高頻段均偏高的頻譜特征.同時,通過對臺風(fēng)峰值經(jīng)過前、經(jīng)過時及經(jīng)過后典型風(fēng)速段(時段平均風(fēng)速分別為6.37m/s,12.32m/s,3.57m/s)縱、橫向脈動風(fēng)譜的對比研究,探討了臺風(fēng)過境前后橋址區(qū)水平向脈動風(fēng)譜的變化規(guī)律.分析結(jié)果表明,臺風(fēng)經(jīng)行期間實測脈動風(fēng)譜值隨平均風(fēng)速的提高而逐漸增大,當(dāng)風(fēng)速峰值經(jīng)過時風(fēng)譜值總體上亦達到峰值,且具有一定的演化特征.考慮到西江特大橋橋址區(qū)遠(yuǎn)離臺風(fēng)“鯨魚”中心,而在臺風(fēng)一般影響區(qū)內(nèi),臺風(fēng)風(fēng)速實際上要比橋址區(qū)實測值大更多,進而推斷,在更接近于臺風(fēng)中心區(qū)的場域范圍內(nèi),Kaimal譜將能夠更切實的描述實測臺風(fēng)水平脈動風(fēng)譜的頻譜特性.3.5x,y,z相位脈動風(fēng)速空間相關(guān)性(SpatialCorrelation)用以描述空間不同測點位置處脈動風(fēng)速的相關(guān)程度,通常采用下式(2)所給的Davenport模型來表達,即j方向上(j=x,y,z)相距為r式中:Coh(n)為相干函數(shù);S圖17給出了大橋主拱拱頂和跨中兩點的實測順風(fēng)向風(fēng)場的空間相關(guān)性,并與Davenport模型推薦值進行對比.可以看出,縱、橫向?qū)崪y互相關(guān)系數(shù)均隨頻率的增加而降低,兩者在零頻率處的系數(shù)值分別為0.77和0.62,且縱向互相關(guān)系數(shù)略大于橫向互相關(guān)系數(shù).相比于Davenport公式推薦值,低頻段縱、橫向拱頂與跨中兩處測點的實測互相關(guān)系數(shù)均小于推薦值,而高頻段實測值明顯大于推薦值,這與Davenport公式存在差距,實測表明臺風(fēng)外圍風(fēng)場具有一定的相關(guān)性,在采用Davenport假設(shè)時會帶來一定的誤差.4實測脈動風(fēng)特性對比基于肇慶西江特大橋風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng),對臺風(fēng)“鯨魚”期間橋址區(qū)實測數(shù)據(jù)進行分析研究,得到以下主要結(jié)論:1)臺風(fēng)“鯨魚”外圍影響期間,實測風(fēng)速樣本表現(xiàn)出較強的非高斯特性,1min平均風(fēng)速波動幅度較大,局部區(qū)域呈現(xiàn)出跳躍性;臺風(fēng)期間以東南風(fēng)為主,風(fēng)向變化相對穩(wěn)定.2)實測紊流強度離散性較低,橋址區(qū)流場處于高紊流度狀態(tài),縱向紊流強度實測值0.253,與相關(guān)文獻結(jié)果吻合較好,但高出規(guī)范推薦值2倍多,表明規(guī)范可能會在一定程度上低估臺風(fēng)、突變風(fēng)等極端風(fēng)的脈動特性;實測I3)臺風(fēng)外圍實測縱、橫向積分尺度平均值分別為L