基于长期监测数据的某悬索桥桥位近处风场特性分析

胡俊^{1, 2}，欧进萍³

(1. 重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆，400074；

2. 重庆交通大学 土木建筑学院，重庆，400074；

3. 大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连，116024)

摘要：为了对大桥抗风评估提供可靠依据，结合东海某大跨度悬索桥的风场监测系统，对该桥桥面及桥塔处的风速进行长期监测，采用统计方法及频谱分析对桥位处风速随高度变化、湍流强度、阵风因子以及脉动风的功率谱密度等进行分析。研究结果表明：无量纲幂指数在低风速时较不稳定，随风速增大而减小并趋于平稳，高风速下其统计均值为0.161，大于规范建议值；湍流强度亦随风速增大而减小并趋于平稳，可采用指数函数加以拟合，桥面高度处强风的顺风向、横风向及竖向湍流强度均值分别为0.180 6，0.156 4及0.078 7，亦大于规范建议值；阵风因子与湍流强度之间近似呈线性关系；强风的水平及竖向风谱与规范谱吻合较好，但实测谱值在低频段偏低。

关键词：悬索桥；脉动风；风场监测系统；现场实测

中图分类号：U441.2           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)07-2989-08

Wind field characteristics analysis at a long-span suspension bridge based on long-term monitoring data

HU Jun^{1, 2},OU Jinping³

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering,

Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;

2. School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;

3. School of Civil Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: In order to provide reliable basis for wind resistant evaluation of a long-span suspension bridge, the wind field monitoring system was installed and the simultaneous wind data at the bridge deck and the top of bridge tower were recorded. The variation of wind speeds with height, turbulent intensity, gust factor and turbulent wind spectra were analyzed by using statistical methods and spectral analysis. The results show that the dimensionless exponent is unstable at low wind speed and it decreases with the increase of the average wind speed. The mean statistical result is 0.161 at high wind speed, which is higher than the recommended value. The measured turbulence intensity also decreases with the increase of average wind speed, and it can be well fitted by exponential function. The mean statistical results of along-wind, cross-wind and vertical directions are 0.180 6, 0.156 4 and 0.078 7, respectively, which are also greater than the recommended values. The gust factors have an approximately linear relationship with the turbulence intensities. The turbulence power spectrum can well fit the standard spectrum. However, the measured spectral values are considerably smaller in low frequency ranges.

Key words: suspension bridge;fluctuating wind;wind field monitoring system;in-field measurement

随着悬索桥跨度的日益增大，结构趋于轻柔，对风的作用更加敏感，风作用下桥梁结构的安全性成为人们极为关注的重要问题^[1]。目前，通过对桥梁截面进行优化和提高结构刚度，已经基本可以避免大跨桥梁在设计使用期限内发生风致颤振，但由于跨度及桥宽的不断增加，使得风致抖振问题变得日益突出^[2]，风环境以及风致抖振响应监测也因此成为桥梁风工程研究的热点之一^[3-4]。风特性的现场观测是结构风工程的主要研究方法之一，也是进行结构风振响应分析的基础^[5]。然而我国在实测风特性方面起步较晚，桥梁抗风规范中风参数的取值大多为国外成果，其适用性有待进一步的验证^[6]。同时，近年来国内外对风场实测的研究工作均主要针对于台风气候，如Miyata等^[7]通过日本明石海峡悬索桥的风速仪，实测了9807及9918号台风数据，重点分析了台风的功率谱密度以及空间相关性；Li等^[8]通过上海金茂大厦的风速仪，实测了Rananim台风的风场特性；Amano等^[9]通过多普勒声达对9426、9503及9612号台风进行了实测研究；Xu等^[10]通过香港青马悬索桥的风和结构健康监测系统获得了台风Sam经过该桥时的风速数据；李爱群等^[11-12]通过润扬悬索桥结构健康监测系统的风速仪，对“麦莎”台风的风场特性进行了实测分析。然而，结构在运营过程中，不仅有可能遭受到台风的侵袭，日常风尤其是强季风对结构的影响也不容小视，对于大跨度悬索桥结构的日常环境风场的长期实测的研究较少。本文作者利用东海某大跨径悬索桥健康监测系统中风速仪传感器长期监测的数据，对该桥址区的风场特性进行了分析，分析结果为该桥运营期间的风致抖振安全性评估奠定基础，同时亦可为其他同类型的大跨悬索桥结构抗风设计提供参考。

1  东海某大跨度悬索桥的风场监测系统

东海某大跨度悬索桥是舟山大陆连岛工程中规模最大的跨海特大桥之一，桥位区水文地质条件复杂，风环境恶劣。该桥为两跨悬索桥，为目前世界最大跨度的钢箱梁悬索桥，主跨1 650 m，边跨578 m。加劲梁采用分离式钢箱梁，梁高3.51 m，宽36 m；主缆矢高为165 m，矢跨比为1/10；吊杆间距为18 m。

为了对桥址区的风环境进行现场实测，从而为大桥的抗风安全性评估提供可靠依据，分别采用螺旋桨式风速仪和三向超声风速仪对桥址处风场进行了监测。风速仪分别安装在桥塔顶部和桥面上，如图1所示。其中，在大桥北塔及南塔塔顶(下游侧，高出水平面257.6 m)分别布置了2个螺旋桨风速仪(AN1、AN2)，主跨1/4、1/2及3/4跨的加劲梁截面处(上、下游侧，高出水平面62.6 m)分别安装了6个三维超声风速仪(UA1~UA6)。风速仪在桥面及塔顶安装完成后的照片如图2所示。

2  基于长期监测数据的悬索桥风场特性分析

2.1  实测风速数据的预处理

风速仪长期暴露在自然环境中，其采集结果不可避免地会受到干扰。环境的影响可能使得采集数据发生丢失或产生大量的奇异结果，同时亦会对信号产生噪声。为确保分析结果的可靠性，必须首先对实测数据进行预处理。

采用简便实用的莱因达准则对实测风速数据进行坏点处理。莱因达准则认为，对于观测信号X₁，X₂，…，X_n，根据概率统计，当认为残余误差服从正态分布时，误差大于3σ的数据出现的概率小于0.003，即可认为其为数据序列中的坏点，予以删除^[13]。同时在对环境噪声影响的处理中，本文应用小波降噪的方法，采用Matlab中的wden程序来加以处理。

基于上述处理方法对东海某大跨度悬索桥风场监测系统2009-09—2011-08所采集的风速数据进行了分析。桥面UA2及桥塔AN1风速仪的典型10 min实测风速样本分别如图3和4所示。其中，桥面上的超声风速仪实时采集了3个风速分量，即横桥向风速u_x、纵桥向风速u_y及竖向风速u_z；塔顶安装的螺旋桨式风速仪，实时记录了水平风速u和风向角Ф。

图1  东海某大跨度悬索桥风速仪传感器布置图

Fig.1  Arrangement of anemometers in a suspension bridge

图2  风速仪安装后照片

Fig.2  Anemometers installed in SHMS

图3  桥面UA2风速仪实测10 min风速样本

Fig.3  Measured wind speed samples of UA2 anemometer in 10 min

图4  桥塔AN1风速仪实测10 min风速样本

Fig.4  Measured wind speed samples of AN1 anemometer in 10 min

2.2  无量纲幂指数

在大气边界层内，风速由地表向上逐渐增加，研究者们根据理论推导和经验修正，提出了多种风速廓线的表达式，主要分为指数型和对数型2种。我国桥梁抗风规范^[3]采用指数型，即：

               (1)

式中：U₁和U₂分别为高度Z₁和Z₂处的平均风速；为考虑地表粗糙度影响的无量纲幂指数。

根据桥面高度处风速以及桥塔高度处风速的同步实测数据，由式(1)分析得到桥址处的无量纲幂指数。以桥面处平均风速为横坐标，得到无量纲幂指数随桥面风速的变化关系见图5，幂指数随风速变化的拟合曲线见图6。

图5  实测无量纲幂指数

Fig.5  Measured dimensionless exponent

图6  实测无量纲幂指数拟合曲线

Fig.6  Fitted curve of measured dimensionless exponent

由实测结果可见，幂指数在低风速下较不稳定，表现出很强的随机性，随着风速的增大，幂指数呈现出明显减小的趋势并趋于平稳。同时工程中往往关注强风的特性，对平均风速大于6 m/s时的实测幂指数进行统计分析，得到的平均值为0.161，标准差为0.074。可见：实测的均值要明显大于规范中给出海面环境的0.12，按照规范的取值会造成偏不安全的影响，因此，在该桥的抗风分析中应予以修正。

2.3  湍流强度

在风工程研究中，通常将瞬时风速分解为长周期平均风和短周期的脉动风之和。湍流强度是表征自然风场脉动特性的关键参数，定义为风的脉动分量平均变化幅度与平均风速U之比，分别用I_u，I_v和I_w表示，即：

(i=u, v, w)             (2)

式中：σ_i分别为脉动风速u(t)，v(t)和w(t)的标准差；U为10 min时距的水平风平均风速。

图7和8所示分别为根据风速仪实测数据计算得到的来流不同风速下的桥面及桥塔处顺风向、横风向及竖向风湍流强度随风速的变化。桥面及塔顶处湍流强度随风速变化的拟合曲线见图9。

由实测结果可见，湍流强度同样随着风速的增大呈现出明显减小的趋势，并趋向于平稳，采用指数函数能够对其进行很好的拟合。对风速大于6 m/s的实测幂指数进行统计分析，湍流强度的统计结果见表1。

图7  桥面处实测湍流强度

Fig.7  Measured turbulence intensity at bridge deck

图8  桥塔处实测湍流强度

Fig.8  Measured turbulence intensity at bridge tower

从表1可见，桥面高度顺风向I_u、横风向I_v及竖向风I_w的湍流强度平均值分别为0.180 6，0.156 4和0.078 7，桥塔高度顺风向I_u、横风向I_v及竖向风I_w的湍流强度平均值分别为0.138 5，0.124 1和0.063。规范中给出在海面上桥面高度处顺风向I_u取值为0.11，显然实测结果要大于规范值。同时桥面处顺风向、横风向、竖向风湍流强度的比值为1:0.866:0.436，桥塔处为1:0.896:0.455，与规范建议的比值1:0.88:0.50较为接近。

图9  实测湍流强度拟合曲线

Fig.9  Fitted Curve of measured turbulence intensity

表1  实测湍流强度统计结果

Table 1  Statistics of measured turbulence intensity

2.4  阵风因子

风的脉动特性亦可采用阵风因子G_i(t_g) (i=u, v, w)来表达，阵风因子定义为一定阵风持续期t_g内的平均风速最大值与平均时距内的平均风速U的比值，即：

，，

             (3)

结构风工程中通常取阵风持续期为2~3 s，本文取t_g=3 s。图10所示为根据UA2风速仪实测数据计算得到的来流不同风速下的顺风向、横风向及竖向风阵风因子随风速的变化。

图10  实测阵风因子

Fig.10  Measured gust factor

从图10可见，3个方向的阵风因子同样随着风速的增大而减小，在低风速下的实测值较大，随着风速的增大，结果趋于稳定。

顺风向阵风因子、阵风持续期以及顺风向湍流强度之间的关系亦是风工程研究中关注的问题。Choi等^[14]基于其实测的风速样本统计出3个参数之间的关系，Cao等^[15]进一步将其研究成果归纳为如下公式：

         (4)

式中：T为时距；Choi建议k₁=0.62，k₂=1.27；而Ishizaki建议k₁=0.5，k₂=1.0。

基于本文的实测结果，采用式(4)中k₁和k₂作为拟合参数，分别对顺风向、横风向及竖向阵风因子与湍流强度之间的关系进行了回归分析，拟合结果如图11所示。

图11  阵风因子随湍流强度变化关系

Fig.11  Relationship between gust factor and turbulence intensity

顺风向、横风向和竖向阵风因子随湍流强度的拟合参数k₁的拟合结果分别为0.36，0.40和0.99；k₂的拟合结果分别为1.02，1.08和1.12。可见阵风因子和湍流强度之间关系基本呈正比，但也并非是完全的线性关系。

2.5  脉动风的功率谱密度

风速的功率谱密度是自然风湍流特性的主要数字特征，能够在频域内精确描述出脉动风的各频率成分所作贡献。目前，我国桥梁抗风规范采用的水平风谱是1972年提出的Kaimal谱；垂直风谱采用Panofsky在1959年提出的表达形式。

图12所示为根据桥面处UA2风速仪的实测数据得到的水平及竖向风谱的典型实测强风结果及其与规范风谱的比较。其中采用加Hamming窗技术以减少由于时域中的信号截断而引起的频域中的信号泄露，同时采用分段平滑技术以减少谱值的随机误差。

图12  实测脉动风谱与规范对比

Fig.12  Comparisons of measured spectra with standard spectra

由水平及竖向风谱的实测结果可见，顺风向风谱整体上与Kaimal谱吻合的很好，但在小于0.01 Hz的低频段，实测值要明显偏小；竖向风谱与Panofsky谱有一定的误差，实测值在小于0.1 Hz的低频段比规范谱偏低，而在高频段发生偏移，比规范值偏高。

3  结论

(1) 通过对实测风速数据的处理，得到以10 min为基本时距的平均风速。同时，通过桥面及桥塔高度的平均风速得到反应风速随高度变化的无量纲幂指数。结果表明，无量纲幂指数在低风速时较不稳定，表现出很强的随机性，随着风速的增大呈现出减小的趋势并趋于平稳，强风下实测幂指数的均值统计要明显大于规范给出的0.12，在抗风分析中应予以修正。

(2) 对于风速的脉动特性而言，实测脉动风的湍流强度随风速的增大而减小，同时可采用指数函数来对其进行拟合，强风下实测湍流强度的统计结果要大于规范值，而顺风向、横风向及竖向风湍流强度比则与规范建议值较为接近；阵风因子与湍流强度之间基本呈正比关系，但也并非服从完全的线性关系；脉动风的功率谱与规范谱吻合较好，但实测值在低频段偏低。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2012-10-15；修回日期：2013-01-11

基金项目：重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室(培育基地)开放基金资助项目(CQSLBF-Y13-7)

通信作者：胡俊(1984-)，男，河南信阳人，博士，从事桥梁抗风研究；电话：13996366094；E-mail: hjisincsu@163.com