武汉青山长江公路大桥设计的风参数研究
武汉青山长江公路大桥设计的风参数研究
胡昌琼;张雪婷;王必强;方怡;童奇;丁丽丽
【摘 要】利用黄陂气象站、武汉青山长江公路大桥桥位处新建的测风塔和湖北省农展中心自动气象站风资料,采用极值I型分布法对武汉青山长江公路大桥设计的风参数进行研究,结果表明:(1)桥位区10 m高度年最大、极大风速为分别为17.0 m·s-1、20.9 m·s-1,年均大风日数为5.8 d,年最多风向为NNE;(2)气象站100 a重现期10 m高度10 min平均年最大风速(基本风速)为25.6 m·s-1,桥位处100 a重现期10 m高度10 min平均年最大风速(设计风速)为29.0 m·s-1;(3)风速较大时水平动量的垂直湍流通量较风速小时大、湍流参数较风速小时小、湍流谱密度值较风速小时增大1～2个量级;极大风速发生时1h内的风攻角为0°～3°.
【期刊名称】《暴雨灾害》
【年(卷),期】2019(038)003
【总页数】8页(P276-283)
【关键词】长江公路大桥;设计风参数;极值I型分布;大气湍流
【作 者】胡昌琼;张雪婷;王必强;方怡;童奇;丁丽丽
【作者单位】湖北省气象服务中心,武汉430074;湖北省气象服务中心,武汉430074;湖北省气象服务中心,武汉430074;湖北省气象服务中心,武汉430074;武汉市气象局,武汉430042;宜昌市气象局,宜昌443000天兴洲大桥
【正文语种】中 文
【中图分类】P425.6+5
引言
风对桥梁影响很大，全球因为风造成桥梁损坏的案例很多，程进等(2002)回顾了1818年以来世界上主要的桥梁风害情况，特别是1940年11月7日，刚刚通车四个月的美国塔科马海峡大桥，由于风引起桥梁振动，发生动力失稳而坍塌。在我国，桥梁的风害也时有发生，例如广东南海九江公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒，砸坏主梁；江西九江长江公路铁路两用钢拱桥吊杆的涡激共振、上海杨浦斜拉桥缆索的涡振和雨振使索套损坏等。
20世纪80年代以来，我国的桥梁建设发展迅猛，悬索桥、斜拉桥、连续钢构等桥型的跨径指标都已步入世界先进行列。现代大桥长、高、宽、轻、柔的特点，对风的作用非常敏感，风荷载(空气流动对工程结构产生的压力)成为大桥主梁断面和桥型选择的关键因素，因此，大桥设计过程中设计风参数的确定是一项非常重要而又严谨的工作。1996年，项海帆等(1996)首次提出了《公路桥梁抗风设计指南》，指出桥梁抗风设计中除考虑平均风特性外(基本风速)，还要考虑脉动风特性(湍流强度、湍流功率谱、风攻角等)，也就是风对桥梁的静力作用和风引起的桥梁振动两个方面；指南中还明确规定基本风速是在开阔平坦的地貌条件下，地面以上10 m高度处100 a重现期的10 min平均年最大风速，设计风速是在基本风速基础上，考虑局部地表粗糙度影响，桥梁所在地地面以上10 m高度处100 a重现期的10 min平均年最大风速。在大桥的施工、建设、尤其是建成后的使用过程中，都应该能够承受这个设计风速。2004年，交通部制定的行业标准《公路桥梁抗风设计规范》中给出了最新的参数计算公式。2012年，中国建筑科学研究院制定的行业标准《建筑结构荷载规范》中也有明确规定，计算基本风速需要选取年最大风速数据在25 a以上的气象站作为参证气象站来进行计算，国家气象观测站满足此条件。通常以桥址为中心，桥址到参证气象站距离为半径的圆形区域作为桥位区，距离桥址最近的气象观测站点作为桥位处，通过桥位处和参证气象站风资料的相关分析，求取桥位处到参证气象站风速的比值，再由基本风速推算出设计风速。
很多学者在大桥风静力作用和动力作用这两方面进行了深入的研究。韩万水等(2006)通过杭州湾跨海大桥风载内力试验及计算发现，斜拉索的风荷载计算模式不同，静风内力也不同，考虑桥塔风效应会显著增加桥塔的横向抖振内力。徐家云等(2015)以鄂东长江大桥为研究对象，通过风洞试验得到三向连续型控制器可明显减小桥梁的竖向、横向及扭转振动，并能明显提高桥梁的颤振临界风速。李敏娜(2010)以杭州湾嘉绍大桥为研究对象，对其抗风性能，尤其是风振响应进行了深入研究，得到脉动风作用下的桥梁抖振响应大于平均风荷载的响应。胡朋(2013)以处于实际深切峡谷区的龙江大桥为工程背景，采用风洞试验的方法较详细地研究了不同来流特性与不同来流方向下桥址区主梁与桥塔的平均风速、风攻角、湍流强度、脉动风速谱以及脉动风速的空间相关性。谢炼等(2016)基于灌河大桥健康监测系统，选取灌河大桥良态气候条件下主跨跨中和塔顶风速仪监测数据，分析比较了自相关函数法、指数衰减法、AR模型法、功率谱法等四种常用方法计算湍流积分尺度的效果及其可靠性，分析了湍流积分尺度与平均风速及湍流强度之间的关系，给出了湍流积分尺度的长期统计结果。陈正洪等(2003)利用武汉市气象站风资料，采用极值I型分布，得到桥位处设计风速，采用指数和对数法将设计风速按照每10 m高度增加，外推到20—200 m各高度层。文元桥等(2010)利用岳阳气象站风资料，对荆岳长江公路大桥桥位区大风特征进行了分析，利用极值I型分布，
推算出设计风速。杨宏青等(2010)利用黄石气象站风资料，在均一性检验基础上，利用极值I型分布，推算出鄂东长江公路大桥设计风速。刘聪等(2006)在分析苏通长江公路大桥桥位处风况与当地气象站异同及桥位处风速随高度变化规律的基础上，将气象站长年风速数据客观外延至桥位处,采用极值频率分布拟合方法，分析计算得到大桥建设所需的基本风速和设计风速。张忠义等(2000)利用南京长江第二大桥桥位区风速观测资料、南京小教场40 a的实测风资料及两处的同步风速观测资料，经统计学分析计算得到设计风速。
武汉青山长江公路大桥全长7 548 m，是武汉市四环线东北段跨越长江的通道，是四环线贯通的关键性工程，该桥设计速度为100 km·h-1、桥梁标准横断面宽度41 m、荷载I级公路等级。因为风参数在该大桥的设计、施工、运营过程中至关重要，为此在距离大桥约1 km的桥位处新建一座测风塔，开展了为期一年的观测。本文利用黄陂气象站(以下简称黄陂站)1960—2016年、测风塔2015年10月26日—2016年11月30日以及湖北省农展中心区域自动气象站(以下简称省农展中心)2009年9月30日—2016年12月31日风观测数据，对武汉青山长江公路大桥设计风参数进行研究，得到了桥位区10 m高度年最大、极大风速及年最多风向，以及参证气象站基本风速和桥位处设计风速、大气湍流特征，为大桥设计提供科学的参考依据。
1 大桥的地理位置及资料说明
图1是武汉青山长江公路大桥的地理位置图。武汉青山长江公路大桥位于天兴洲洲尾，桥位周边有武汉、黄陂、新洲、江夏4个国家气象观测站，桥位附近有一座测风塔和6个区域自动气象站。
4个国家气象观测站中黄陂站距离桥位最近(约22 km)，1959年8月开始观测，期间站址平移二次，平移距离相加不超过200 m，观测资料时间长、可靠、完整，可选作参证气象站。该站1959年8月开始观测10 m高度定时2 min平均最大风速，1979年1月开始有10 min平均最大风速观测，2007年1月开始有极大风速观测，利用定时2 min平均最大风速与10 min平均最大风速的相关性，对1960—1978年10 m高度l0 min平均年最大风速进行插补，可得到1960—2016年10 m高度l0 min平均年最大风速序列，进行基本风速的计算和桥位区风气候特征分析。
图1 武汉青山长江公路大桥的地理位置图（★为气象观测站，+为自动气象站，圆形区内为桥位区）Fig.1 Sketch map of the Bridge(★represents meteorological stations.+represents automatic stations.The circle represents position of the bridge site).
测风塔为桥位处气象站，有2015年10月26日—2016年11月30日风观测数据，因观测时段内
水位高，造成10 m高度的部分数据不准确，所以用桥位附近区域自动气象站资料代替测风塔资料，来计算桥位处到参证气象站的风速比值。在6个区域自动气象站中选用省农展中心代替桥位处气象站，该站观测环境好，数据可信度高，且距离桥位处最近(4 km)，积累了2009年—2016年7 a多10 m高度10 min平均最大风速资料。测风塔33 m高处安装了一套超声风速仪，用该仪器观测资料分析计算桥位处近地层大气的湍流特征。
2 计算方法
2.1 基本风速计算方法
计算基本风速采用极值Ⅰ型分布耿贝尔法、矩法二种参数估算法，用柯尔莫戈洛夫拟合适度检验来校核极值I型分布的合理性(马开玉等，2004)。
极值Ⅰ型的分布函数是
其超过保证率函数是
超过保证率P对应的重现期值为
式中α是分布的尺度参数，u为分布的位置参数。
2.1.1 用耿贝尔法估算参数α和u
以最大风速序列的均值及标准差作为E(X M )及σXM的近似估计值，而E(y )和σy的近似估计值 及Sy只与N(样本容量)有关，一般通过查表求得。
2.1.2 用矩法估算参数α和u
因此得
以最大风速序列的均值和标准差作为参数E()x和α的估计值。
2.1.3 拟合适度检验
柯尔莫戈洛夫拟合适度检验指标：
其中n为样本容量，Dn表示拟合出来的理论分布与经验分布的最大偏差。
这里xi为有序样本，Dn表示在所有各点上经验分布于假设的理论分布之差的最大值。取信度
为0.05，查表只要Kf＜1.35，则认为样本序列服从该型概率分布。
2.2 大气湍流特征参数计算方法
大气湍流特征参数包括湍流强度、阵风系数、湍流功率谱和风攻角等。
2.2.1 湍流强度和阵风系数的计算方法
湍流强度为某时距(时间距离)的脉动风速标准差与平均风速的比值。
其中，i=u，v，w ，σi表示 u，v，w 方向的脉动速度 u′,v′,w′的标准差；U是时距为3 s子样本中风的主流方向的平均风速。

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