臺風中心對南廣鐵路臺風鯨魚影響實測研究

隨著“海上絲綢之路”國家戰略的建設，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，跨境橋梁的結構剛性和耐腐蝕性不斷下降，復雜氣候環境和臺風等極端天氣的敏感性也得到了提高。總體上,我國臺風實測研究與發達國家相比還相對薄弱且遠不夠系統,且目前研究大多是針對公路橋梁橋址區,對高速鐵路橋位處臺風近地特性的場地實測仍然非常匱乏.高速鐵路車-橋耦合系統對于強風作用極為敏感,為保障其在復雜氣候環境不同時空分布特征條件下的安全運營,對橋址區強/臺風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,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,拱肋內傾角4.8°,橋面距拱頂73.53m,鋼混結合梁體系,是國內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,兩側均為高山,屬于典型山區地形,受南海海洋氣候影響,是臺風活動侵襲經過的地區之一.年平均3.1次臺風影響,最高風力可達12級以上.2風速儀作為后期管養的重要輔助手段,大橋在建設時安裝了一套橋梁結構健康監測系統,其中包括風速風向監測子系統.該系統采用4臺英國Gill公司的Windsonic型二維超聲風速儀,分別布置于橋面上游邊跨兩側、跨中及拱頂,南寧(1#)和廣州側(3#)風速儀分別距跨中(2#)270m和291m,拱頂風速儀(4#)距橋面73.53m.為避免風速儀的安裝干擾橋梁自身風場,采用鍍鋅鋼管對風速儀進行固定,跨中風速儀固定于跨中航標平臺并高出橋面1.5m,其余風速儀的固定均各自高出橋面或拱頂3m.風速儀編號及具體布置見圖1所示,現場布置見圖2所示.Windsonic風速測試范圍為0~60m/s,量程精度±2%;風向測試范圍0~359°,精度±3°.風速儀采用全天候工作模式,采集頻率為1Hz.2015年第8號臺風“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,當日23時左右加強為強熱帶風暴,并開始逐步向海南東部和廣東西部沿海區域靠近.23日9時左右,臺風外圍襲擊了廣東省肇慶市,至當日23時基本出境.安裝于西江特大橋之上的風速風向健康監測子系統實時采集了“鯨魚”臺風影響肇慶地區的全過程數據.本文根據臺風到達和離開橋址區的時間,選取了11:00~20:00之間大橋拱頂觀測點長達10h的實測數據進行研究.盡管本次臺風未在橋址區正面登陸,且受橋址附近山區地形影響,風速已發生減弱,但所采集到的風速最高值仍有近24m/s,仍然具有較強的臺風共性規律及工程研究價值.3隨機風特性分析大跨度橋梁結構主要受橋址區大氣邊界層內的風特性(即近地風特性)影響,從工程抗風角度出發,且為了研究方便,隨機的自然風可以分解成不隨時間變化的平均風以及隨時間變化的零均值脈動風兩部分的疊加3.1平均風速與速度平均風特性包括平均風速、平均風向以及風速沿高度的分布規律等.利用小波變換方法由圖3可知,臺風“鯨魚”外圍經行橋址區過程中,1min平均風速在整個0m/s~20m/s范圍內波動幅度較大,且局部區域具有一定跳躍性,最大風速值為19.7m/s(第一次峰值),出現在第272個樣本點,對應時段為23日下午15時31分~33分.臺風期間風速變化顯著,11時~14時段內平均風速呈現交替變化,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,平均風速在短時內劇烈攀升,并在約30min之內先后經歷3次峰值,分別為19.7m/s,15.1m/s以及12.8m/s;自16時40分起,臺風風速開始急劇衰減,至17時~17時30分左右,平均風速甚至趨近于0m/s,之后在臺風出境之前約3個小時之內,平均風速又有回升,但總體保持在4m/s左右上下波動,最大值約6.2m/s.總結起來,臺風外圍持時短,且與通常意義上的臺風三段模型及七段模型均有不同,外圍風場存在一個短時強烈階躍,并伴隨風速的逐級衰減,風速跳躍性強,甚至出現短時風速為零的時段.圖4給出了西江特大橋主拱拱頂在臺風“鯨魚”期間的1min平均風向玫瑰圖,可以看出,1min平均風向主要出現在SSE,SE和S3個方向,風向頻率分別為21.8%,32.2%和23.1%,風向變化相對較穩定,大橋在臺風過境期間主要受東南風影響較大.3.2縱向陣風因子臺風“鯨魚”過境期間,西江特大橋拱頂實測紊流強度和陣風因子的概率分布如圖5和圖6所示.圖5中橫坐標每隔0.10作為一個計算區間(例如橫坐標0.30表示計算區間為[0.20,0.40],橫坐標0.50表示計算區間為[0.40,0.60],以此類推),縱坐標表示對應的概率分布值(下文中的概率分布圖橫坐標、縱坐標含義相同).由于我國規范由圖6和圖8可知,紊流強度和陣風因子盡管描述方法不同,但兩者呈現出相似的概率分布規律,縱向陣風因子最大值、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,雖然橋址區域水面開闊,主拱拱頂受西江兩岸復雜峽谷地形的干擾相對較小,但臺風過境時橋址區風場仍呈現出強烈的脈動特性.圖7和圖8描述了紊流強度、陣風因子與1min平均風速的相關性.可以發現,湍流度和陣風因子有隨平均風速的增大而減小的趨勢特征,且在低平均風速段這一趨勢更為明顯,并隨著風速的增加逐漸變緩.這主要是由于平均風速越大,大氣邊界層穩定性越高,受地貌地物的干擾也越小,從而促發風的脈動特性減弱,風場趨于平穩.為研究紊流強度與陣風因子的相關性規律,采用最小二乘法擬合原理,對西江特大橋拱頂實測臺風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性,擬合后兩參數之間的關系表達式為I作為描述自然風脈動強度的重要參數,紊流強度和陣風因子各自的方法和側重點雖有不同,但二者之間仍然具有密切的線性比例關系.圖11(a)和圖11(b)分別給出了縱、橫向紊流強度與相應的縱、橫向陣風因子之間的相關性及擬合關系式,可以看出陣風因子隨著紊流度的增大有增大趨勢,在表征脈動風湍流特性過程中,兩者在趨勢上具有一致性.3.3紊流積分尺度與平均風速的關系實測紊流積分尺度的概率分布如圖12所示.據圖12和圖13可知,臺風“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速及紊流強度之間的相關性描述分別見圖13和圖14所示.由圖可知,紊流積分尺度與平均風速之間相關性較強,表現出隨平均風速的減小而降低的趨勢.其原因在于,當流場風速變小時,近地層中的大尺度渦旋迅速破碎轉化為一系列的小尺度渦旋,此時風場脈動特性增強.此外還發現,隨著平均風速的增加,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更為明顯.3.4脈動風功率譜密度函數風速的功率譜密度是自然風湍流特性的主要數字特征,表征湍流能量在頻域中的分布,能夠在頻域內精確地描述不同尺度渦旋的動能對湍流脈動動能的貢獻.水平向風譜應用較廣的是1972年提出的Kaimal譜,目前我國規范也采用該脈動風譜,其表達式為:式中:S臺風期間實測大橋拱頂典型風速時段水平向功率譜與Kaimal譜對比見圖15(a)和圖16(a)所示.可以發現,規范推薦的Kaimal譜與實測“鯨魚”臺風水平向脈動風譜函數并不能很好地符合.以順風向為例,實測風譜除了在[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“鯨魚”具有低頻段和高頻段均偏高的頻譜特征.同時,通過對臺風峰值經過前、經過時及經過后典型風速段(時段平均風速分別為6.37m/s,12.32m/s,3.57m/s)縱、橫向脈動風譜的對比研究,探討了臺風過境前后橋址區水平向脈動風譜的變化規律.分析結果表明,臺風經行期間實測脈動風譜值隨平均風速的提高而逐漸增大,當風速峰值經過時風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遠離臺風“鯨魚”中心,而在臺風一般影響區內,臺風風速實際上要比橋址區實測值大更多,進而推斷,在更接近于臺風中心區的場域范圍內,Kaimal譜將能夠更切實的描述實測臺風水平脈動風譜的頻譜特性.3.5x,y,z相位脈動風速空間相關性(SpatialCorrelation)用以描述空間不同測點位置處脈動風速的相關程度,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;S圖17給出了大橋主拱拱頂和跨中兩點的實測順風向風場的空間相關性,并與Davenport模型推薦值進行對比.可以看出,縱、橫向實測互相關系數均隨頻率的增加而降低,兩者在零頻率處的系數值分別為0.77和0.62,且縱向互相關系數略大于橫向互相關系數.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系數均小于推薦值,而高頻段實測值明顯大于推薦值,這與Davenport公式存在差距,實測表明臺風外圍風場具有一定的相關性,在采用Davenport假設時會帶來一定的誤差.4實測脈動風特性對比基于肇慶西江特大橋風速風向監測子系統,對臺風“鯨魚”期間橋址區實測數據進行分析研究,得到以下主要結論:1)臺風“鯨魚”外圍影響期間,實測風速樣本表現出較強的非高斯特性,1min平均風速波動幅度較大,局部區域呈現出跳躍性;臺風期間以東南風為主,風向變化相對穩定.2)實測紊流強度離散性較低,橋址區流場處于高紊流度狀態,縱向紊流強度實測值0.253,與相關文獻結果吻合較好,但高出規范推薦值2倍多,表明規范可能會在一定程度上低估臺風、突變風等極端風的脈動特性;實測I3)臺風外圍實測縱、橫向積分尺度平均值分別為L