台风中心对南广铁路台风鲸鱼影响实测研究

台风中心对南广铁路台风鲸鱼影响实测研究

随着“海上丝绸之路”国家战略的建设，高速铁路桥梁逐渐向更大、更广的海上和连岛工程的通道进攻。随着直径的增加，跨境桥梁的结构刚性和耐腐蚀性不断下降，复杂气候环境和台风等极端天气的敏感性也得到了提高。总体上,我国台风实测研究与发达国家相比还相对薄弱且远不够系统,且目前研究大多是针对公路桥梁桥址区,对高速铁路桥位处台风近地特性的场地实测仍然非常匮乏.高速铁路车-桥耦合系统对于强风作用极为敏感,为保障其在复杂气候环境不同时空分布特征条件下的安全运营,对桥址区强/台风特性开展实测研究具有重大而紧迫的工程意义.1中承式钢箱提篮系新建南广铁路肇庆西江特大桥位于广东省肇庆境内,已于2014年12月26日正式通车运营.该桥孔跨布置为(25+50+386+50+49)m,拱脚中心距450m,矢跨比1/4,拱肋内倾角4.8°,桥面距拱顶73.53m,钢混结合梁体系,是国内首座中承式铁路钢箱提篮拱桥,同时也是目前世界高速铁路最大跨度的中承式钢箱提篮拱桥(图1).大桥跨越西江,两侧均为高山,属于典型山区地形,受南海海洋气候影响,是台风活动侵袭经过的地区之一.年平均3.1次台风影响,最高风力可达12级以上.2风速仪作为后期管养的重要辅助手段,大桥在建设时安装了一套桥梁结构健康监测系统,其中包括风速风向监测子系统.该系统采用4台英国Gill公司的Windsonic型二维超声风速仪,分别布置于桥面上游边跨两侧、跨中及拱顶,南宁(1#)和广州侧(3#)风速仪分别距跨中(2#)270m和291m,拱顶风速仪(4#)距桥面73.53m.为避免风速仪的安装干扰桥梁自身风场,采用镀锌钢管对风速仪进行固定,跨中风速仪固定于跨中航标平台并高出桥面1.5m,其余风速仪的固定均各自高出桥面或拱顶3m.风速仪编号及具体布置见图1所示,现场布置见图2所示.Windsonic风速测试范围为0~60m/s,量程精度±2%;风向测试范围0~359°,精度±3°.风速仪采用全天候工作模式,采集频率为1Hz.2015年第8号台风“鲸鱼”(英文名:Kujira,1508号热带气旋)于6月21日11时在中国南海中部海面生成,当日23时左右加强为强热带风暴,并开始逐步向海南东部和广东西部沿海区域靠近.23日9时左右,台风外围袭击了广东省肇庆市,至当日23时基本出境.安装于西江特大桥之上的风速风向健康监测子系统实时采集了“鲸鱼”台风影响肇庆地区的全过程数据.本文根据台风到达和离开桥址区的时间,选取了11:00~20:00之间大桥拱顶观测点长达10h的实测数据进行研究.尽管本次台风未在桥址区正面登陆,且受桥址附近山区地形影响,风速已发生减弱,但所采集到的风速最高值仍有近24m/s,仍然具有较强的台风共性规律及工程研究价值.3随机风特性分析大跨度桥梁结构主要受桥址区大气边界层内的风特性(即近地风特性)影响,从工程抗风角度出发,且为了研究方便,随机的自然风可以分解成不随时间变化的平均风以及随时间变化的零均值脉动风两部分的叠加3.1平均风速与速度平均风特性包括平均风速、平均风向以及风速沿高度的分布规律等.利用小波变换方法由图3可知,台风“鲸鱼”外围经行桥址区过程中,1min平均风速在整个0m/s~20m/s范围内波动幅度较大,且局部区域具有一定跳跃性,最大风速值为19.7m/s(第一次峰值),出现在第272个样本点,对应时段为23日下午15时31分~33分.台风期间风速变化显著,11时~14时段内平均风速呈现交替变化,波动较大,但总体分布于3.5m/s~6.5m/s之间;15时~16时40分左右,平均风速在短时内剧烈攀升,并在约30min之内先后经历3次峰值,分别为19.7m/s,15.1m/s以及12.8m/s;自16时40分起,台风风速开始急剧衰减,至17时~17时30分左右,平均风速甚至趋近于0m/s,之后在台风出境之前约3个小时之内,平均风速又有回升,但总体保持在4m/s左右上下波动,最大值约6.2m/s.总结起来,台风外围持时短,且与通常意义上的台风三段模型及七段模型均有不同,外围风场存在一个短时强烈阶跃,并伴随风速的逐级衰减,风速跳跃性强,甚至出现短时风速为零的时段.图4给出了西江特大桥主拱拱顶在台风“鲸鱼”期间的1min平均风向玫瑰图,可以看出,1min平均风向主要出现在SSE,SE和S3个方向,风向频率分别为21.8%,32.2%和23.1%,风向变化相对较稳定,大桥在台风过境期间主要受东南风影响较大.3.2纵向阵风因子台风“鲸鱼”过境期间,西江特大桥拱顶实测紊流强度和阵风因子的概率分布如图5和图6所示.图5中横坐标每隔0.10作为一个计算区间(例如横坐标0.30表示计算区间为[0.20,0.40],横坐标0.50表示计算区间为[0.40,0.60],以此类推),纵坐标表示对应的概率分布值(下文中的概率分布图横坐标、纵坐标含义相同).由于我国规范由图6和图8可知,紊流强度和阵风因子尽管描述方法不同,但两者呈现出相似的概率分布规律,纵向阵风因子最大值、最小值分别为7.523,1.071,平均值为1.565;横向阵风因子最大值、最小值分别为5.083,0.056,平均值为0.442.总体来讲,虽然桥址区域水面开阔,主拱拱顶受西江两岸复杂峡谷地形的干扰相对较小,但台风过境时桥址区风场仍呈现出强烈的脉动特性.图7和图8描述了紊流强度、阵风因子与1min平均风速的相关性.可以发现,湍流度和阵风因子有随平均风速的增大而减小的趋势特征,且在低平均风速段这一趋势更为明显,并随着风速的增加逐渐变缓.这主要是由于平均风速越大,大气边界层稳定性越高,受地貌地物的干扰也越小,从而促发风的脉动特性减弱,风场趋于平稳.为研究紊流强度与阵风因子的相关性规律,采用最小二乘法拟合原理,对西江特大桥拱顶实测台风样本进行了线性回归分析.从图9可以看出,紊流强度纵、横向分量之间具有很强的线性相关性,拟合后两参数之间的关系表达式为I作为描述自然风脉动强度的重要参数,紊流强度和阵风因子各自的方法和侧重点虽有不同,但二者之间仍然具有密切的线性比例关系.图11(a)和图11(b)分别给出了纵、横向紊流强度与相应的纵、横向阵风因子之间的相关性及拟合关系式,可以看出阵风因子随着紊流度的增大有增大趋势,在表征脉动风湍流特性过程中,两者在趋势上具有一致性.3.3紊流积分尺度与平均风速的关系实测紊流积分尺度的概率分布如图12所示.据图12和图13可知,台风“鲸鱼”实测积分尺度概率分布较为集中,其中纵向积分尺度L紊流积分尺度与平均风速及紊流强度之间的相关性描述分别见图13和图14所示.由图可知,紊流积分尺度与平均风速之间相关性较强,表现出随平均风速的减小而降低的趋势.其原因在于,当流场风速变小时,近地层中的大尺度涡旋迅速破碎转化为一系列的小尺度涡旋,此时风场脉动特性增强.此外还发现,随着平均风速的增加,其积分尺度的离散度也略有增大.无论是纵向或横向分量,紊流积分尺度均随该方向的紊流强度的增加而快速减小,且这一趋势在纵向分量中表现更为明显.3.4脉动风功率谱密度函数风速的功率谱密度是自然风湍流特性的主要数字特征,表征湍流能量在频域中的分布,能够在频域内精确地描述不同尺度涡旋的动能对湍流脉动动能的贡献.水平向风谱应用较广的是1972年提出的Kaimal谱,目前我国规范也采用该脉动风谱,其表达式为:式中:S台风期间实测大桥拱顶典型风速时段水平向功率谱与Kaimal谱对比见图15(a)和图16(a)所示.可以发现,规范推荐的Kaimal谱与实测“鲸鱼”台风水平向脉动风谱函数并不能很好地符合.以顺风向为例,实测风谱除了在[0.0005,0.0016]及[0.474,0.500]频段大于Kaimal之外,其余频段均偏低,表明实际条件下台风“鲸鱼”具有低频段和高频段均偏高的频谱特征.同时,通过对台风峰值经过前、经过时及经过后典型风速段(时段平均风速分别为6.37m/s,12.32m/s,3.57m/s)纵、横向脉动风谱的对比研究,探讨了台风过境前后桥址区水平向脉动风谱的变化规律.分析结果表明,台风经行期间实测脉动风谱值随平均风速的提高而逐渐增大,当风速峰值经过时风谱值总体上亦达到峰值,且具有一定的演化特征.考虑到西江特大桥桥址区远离台风“鲸鱼”中心,而在台风一般影响区内,台风风速实际上要比桥址区实测值大更多,进而推断,在更接近于台风中心区的场域范围内,Kaimal谱将能够更切实的描述实测台风水平脉动风谱的频谱特性.3.5x,y,z相位脉动风速空间相关性(SpatialCorrelation)用以描述空间不同测点位置处脉动风速的相关程度,通常采用下式(2)所给的Davenport模型来表达,即j方向上(j=x,y,z)相距为r式中:Coh(n)为相干函数;S图17给出了大桥主拱拱顶和跨中两点的实测顺风向风场的空间相关性,并与Davenport模型推荐值进行对比.可以看出,纵、横向实测互相关系数均随频率的增加而降低,两者在零频率处的系数值分别为0.77和0.62,且纵向互相关系数略大于横向互相关系数.相比于Davenport公式推荐值,低频段纵、横向拱顶与跨中两处测点的实测互相关系数均小于推荐值,而高频段实测值明显大于推荐值,这与Davenport公式存在差距,实测表明台风外围风场具有一定的相关性,在采用Davenport假设时会带来一定的误差.4实测脉动风特性对比基于肇庆西江特大桥风速风向监测子系统,对台风“鲸鱼”期间桥址区实测数据进行分析研究,得到以下主要结论:1)台风“鲸鱼”外围影响期间,实测风速样本表现出较强的非高斯特性,1min平均风速波动幅度较大,局部区域呈现出跳跃性;台风期间以东南风为主,风向变化相对稳定.2)实测紊流强度离散性较低,桥址区流场处于高紊流度状态,纵向紊流强度实测值0.253,与相关文献结果吻合较好,但高出规范推荐值2倍多,表明规范可能会在一定程度上低估台风、突变风等极端风的脉动特性;实测I3)台风外围实测纵、横向积分尺度平均值分别为L