润扬大桥桥址区实测台风非平稳特性研究

润扬大桥桥址区实测台风非平稳特性研究

非平稳风速模型的应用结构所在地的风特征是结构物抗风设计和检验的基础。特定区域的风发展趋势是现场测量和分析的最有效方法，在该领域进行了大量研究。国内外同行已经开展了少量实测风非平稳特性方面的研究工作,提出了相应的非平稳风速模型并将其应用到一些典型实测强风的分析中,例如徐幼麟教授课题组在非平稳模型的基础上,利用经验模态分解法得到了实测风的时变平均风及非平稳风特性,并与平稳模型下的风特性进行对比分析2005年8,9月,台风“麦莎”和“卡努”先后从浙江登陆,对包括江苏在内的东部沿海地区造成了巨大的经济财产损失。本文利用润扬悬索桥结构健康监测系统(SHMS)中风环境子系统采集的数据,采用多尺度小波变换方法对桥址区实测“麦莎”和“卡努”台风的非平稳风特性进行分析,旨在为桥址场地风特性的精细化分析以及该地区大跨柔性桥梁等风敏感结构物的抗风设计和研究提供参考。1基于小波变换的非稳定风特征分析1.1平稳随机过程已有研究常将顺风向风速U(t)视为平稳随机过程,这个平稳随机过程由恒定的均值分析中将横向及竖向风速视作均值为零的平稳随机过程,并利用表1计算其相关风特性参数。表中α=u,v,w,T为基本时距,1.2时变风速均值在非平稳风速模型中,顺风向风速被分解为一个确定的时变风速均值此外,横向及竖向风速也有一个围绕在零附近的时变趋势,如式(4)和(5)所示。其中v基于非平稳风速模型的相关风特性参数计算公式如表1所示。1.3非平稳风特性分析的关键所如何从一个给定的实测风速样本中提取合适的时变均值是非平稳风特性分析的关键所在。目前,被认为有效的方法是经验模态分解法(EmpiricalModeDecomposition,EMD)和小波分析法2单跨双铰简支钢箱梁桥润扬长江公路大桥连接镇江、扬州两市,是由南汊悬索桥和北汊斜拉桥组合而成的特大型缆索支承型桥梁,其中悬索桥为主跨1490m(2005年建成时为中国第一,世界第三)的单跨双铰简支钢箱梁桥。该桥址区地处亚热带大陆东岸,由于海陆热力性质差异,形成了呈季节性交替的季风,气候复杂,灾害性天气频繁。为了实时监测桥址区风环境,润扬大桥SHMS设有专门的风环境监测子系统,其中风速仪布置如图1所示。该桥采用了芬兰维萨拉(Vaisa-la)公司的WA15型风速仪3润扬大桥shms主梁风压“麦莎”台风对大桥桥址区的主要影响时间为2005年8月6日3时至2005年8月6日17时,“卡努”台风对大桥桥址区的主要影响时间为2005年9月11日14时至2005年9月12日08时。以“麦莎”台风为例,图2为润扬大桥SHMS主梁跨中风速仪记录的相关风速数据。由图2可知,台风期间的风速具有明显的时变特征及局部的突变现象,为进一步了解两台风的局部非平稳特性,针对“麦莎”台风,选取分析时段为2005年8月6日11:00~12:00;“卡努”台风选取分析时段为2005年9月12日02:00~03:00。总时段均为1h,基本时距180s,故总时段包括20个基本时距,共计3600个数据。3.1变平均风和脉动风速利用小波变换技术提取了主梁跨中和南塔塔顶处“麦莎”和“卡努”台风的时变平均风和脉动风速,见图3。图3表明:在统计时段内主梁跨中和南塔塔顶处的顺风向风速均表现出较强的非平稳性,而其对应的横风向风速的时变趋势围绕零值呈微小波动,非平稳性不明显;桥址区不同台风的非平稳特性差异较大。3.2流量强度和矩阵效应3.2.1平稳风速模型的紊流强度紊流强度可用于表征脉动分量的平均变化幅度,其顺风和横风向对应值分别用I由表2和图4可知,基于平稳风速模型的两台风紊流强度值均大于基于非平稳风速模型的对应值,以跨中处“麦莎”台风为例,基于平稳风速模型的顺、横风向紊流强度分别为18.28%和16.68%,大于非平稳风速模型时的对应值17.88%和16.54%,说明传统的平稳模型会高估脉动风的紊流特性;“麦莎”台风I3.2.2矩阵矩阵因素阵风因子可用于表征脉动风的短时变化幅度,它定义为阵风持续t3.2.3最小二乘法拟合为研究基于非平稳风速模型的紊流强度和阵风因子的相关性,对主梁跨中处“麦莎”台风顺风向及横风向的紊流强度和阵风因子进行了最小二乘法拟合,结果如图6所示。由图6可知,无论是顺风向还是横风向,脉动风的阵风因子总体上随紊流强度的增大而增大,表明脉动风的阵风因子和紊流强度之间关系密切,二者在表征脉动风紊流特性时总体上具有一致性,这与平稳风速模型下的分析结果相一致3.3紊流强度作为反映风特性的又一重要参数,紊流积分尺度可用于表征平均风输送紊流涡旋平均尺度由表3可知,就实测“麦莎”和“卡努”台风而言,基于平稳风速模型的紊流积分尺度计算结果均大于基于非平稳风速模型下的计算结果,这与紊流强度的分析结果一致;基于两风速模型求得的顺风向紊流积分尺度均大于对应位置横风向的紊流积分尺度值,两者比值特性如下:基于非平稳风速模型下的比值范围为1:0.53~1:0.31,与基于平稳风速模型下的比值范围(1:0.44~1:0.31)较为接近,未超出Counihan及Simiu等的建议值范围为进一步了解两台风紊流积分尺度随时间变化的趋势以及两者的差异,图7给出了基于非平稳风速模型两台风紊流积分尺度的对比。由图7可知,“麦莎”台风的顺、横风向紊流积分尺度随时间变化波动较大,而“卡努”台风的顺、横风向紊流积分尺度随时间变化相对平稳。总体而言,“麦莎”台风的紊流积分尺度大于“卡努”台风的紊流积分尺度值。3.4非平稳风速模型的实测功率谱密度为获得实测台风脉动风频谱特性,基于不同风速模型对实测台风顺风向脉动风进行风谱处理基于两风速模型的顺风向脉动风方差有所不同,故其对应的Kaimal谱有所不同。图8中,“平Kaimal”为基于平稳模型计算所得,“非Kaimal”为基于非平稳模型计算所得。图8表明:(1)两Kaimal谱趋势相同,但基于平稳风速模型的Kaimal谱值略大,这是由于平稳风速模型所得顺风向脉动风速的方差较大。(2)在低频段(0.005Hz以下),基于非平稳风速模型的实测功率谱值小于基于平稳风速模型的对应值;而在中高频段(0.01Hz以上),基于两风速模型的功率谱基本吻合。这是由于采用非平稳风速模型计算脉动风速时提取了时变趋势项,而此时变趋势项属于长周期成分。(3)基于平稳风速模型的实测功率谱和与其对应的Kaimal谱吻合良好。而基于非平稳风速模型的功率谱有所不同,与Kaimal相比,在低频段实测谱偏低;在中高频段实测谱偏高。4非平稳模型(1)在统计时段内,主梁跨中和南塔塔顶的实测顺风向风速均表现出较强的非平稳性,而横风向风速的时变趋势则围绕零值呈微小波动,非平稳特性不明显;桥址区不同台风的非平稳特性差异较大。(2)基于平稳模型的两实测台风紊流强度值均大于基于非平稳模型的对应值,表明传统的平稳模型会高估风的紊流特性;“麦莎”台风I(3)无论是顺风向还是横风向,基于非平稳模型所得阵风因子总体上随紊流强度的增大而增大,表明阵风因子和紊流强度在表征风的紊流特性时具有统一性,这与平稳模型下的结论一致。(4)就台风顺风向与横风向紊流积分尺度的比值而言,基于非平稳模型的比值范围为1: