DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.08.004

热带低压影响下平潭海峡公铁两用大桥桥址处风雨特征分析

何旭辉^{1, 2},汪震^{1, 2},严磊^{1, 2},任磊^{1, 2},郭辉³

（1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙，410075；

3. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京，100081）

摘要:基于在平潭海峡公铁两用大桥桥址处建立的风雨监测系统，对2018-08某热带低压条件下的风雨特征进行研究。研究结果表明：在降雨过程中，1 min平均风速变化较强烈，降雨后，平均风速较低；湍流强度在降雨过程中比降雨前显著增强；湍流积分尺度在降雨过程中离散度较大，均值与降雨前差别不大；湍流强度和湍流积分尺度与降雨强度、平均粒子直径的相关性不明显，但在平均粒子直径1 mm附近，湍流强度和湍流积分尺度都出现极值；在降雨过程中，实测的各分量脉动风速功率谱与经验谱间在高频段存在一定差异，实测谱在高频段高于经验谱。

关键词:热带低压；风雨特征；公铁两用大桥

中图分类号:U24            文献标志码:A               开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号:1672-7207（2020）08-2081-12

Analysis of wind and rain characteristics at Pingtan strait rail-cum-road bridge site under influence of tropical depression

HE　Xuhui^{1, 2}, WANG　Zhen^{1, 2}, YAN　Lei^{1, 2}, REN　Lei^{1, 2}, GUO　Hui³

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China；

3. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract: A tropical depression sample in August 2018 was selected to study the wind and rain characteristics at the site Pingtan strait rail-cum-road bridge based on the established wind and rain monitoring system. The results show that the 1 min mean wind speed changes strongly during rainfall process, and it is low after rainfall. The turbulence intensity increases significantly during rainfall than before rainfall. In the process of rainfall, the dispersion of turbulence integral scale is large, and the difference of mean value between rainfall and the pre-rainfall is not significant. The correlation between turbulence intensity, turbulence integral scale and rainfall intensity, mean particle diameter are not obvious, but both present extreme values near the mean particle diameter of 1 mm. During the rainfall process, the measured power spectrum density(PSD) of the three fluctuating components of wind velocity is higher than that of the empirical spectrums in the high frequency band.

Key words: tropical depression; characteristics of wind and rain; rail-cum-road bridge

近年来，随着国家经济实力的不断增强，我国基础设施建设得到长足发展。桥梁是重要的交通基础设施之一，被誉为各大交通线的控制咽喉。伴随着科学技术进步，桥梁也进入快速发展阶段，桥梁的跨度越来越大，修建材料也更加轻质，桥梁对荷载的敏感性增加。我国东南沿海地区常常受热带气旋的影响，强风往往还伴随着强降雨。风及风雨耦合对于桥梁结构的作用和机理一直是研究者们研究和关注的热点，要分析风雨对大跨度桥梁的设计和施工过程的影响，需要对桥址处热带气旋的风雨特征展开研究，而现场实测与分析是目前最直接且有效的手段，近年来，人们已开展许多研究，如：FENERCI等^[1-3]利用Hardanger Bridge健康监测系统，对桥位处的平均风速、平均风向及湍流强度等风场特性参数进行了研究；SHIAU等^[4-5]采用现场实测对基隆港附近的风场特性进行分析，发现实测的纵向脉动风速功率谱与von Karman谱较吻合；史文海等^[6-8]通过现场实测对浙南地区热带气旋的风场特性进行分析，发现台风风场的平均风速、风向角随着平均时距的增加趋于平稳，短时距(例如1 min和3 s)能够更好地反映风场特性，尤其是高风速的脉动性和变化规律。这些研究更多的是关注风场，而同时开展风场与降雨实地测量对风雨特征进行分析的研究较少。KIM等^[9]借助三维超声风速仪和激光雨滴谱仪对山区风雨特征进行研究，结果表明风在背风侧和迎风侧对降雨强度的影响不同；TANG等^[10]对16个不同地点进行长达21月的风驱雨测量，分析了94个降雨事件，发现风驱雨受风速、风向、降雨强度和地点的影响较大；CHOI^[11]在新加坡建立风雨观测站(使用风杯式风速仪和雨量计)采集风速、风向和雨量，并对雷暴和非雷暴情况下的风场特性进行对比研究，发现大多数强阵风都是在雷暴中发生的；DEROME等^[12]对目前风驱雨值得关注的10个问题进行总结，提出湍流特性是风驱雨分析中不能够忽视的因素；刘科等^[13-15]基于琼州海峡跨海大桥桥址处的测风塔，利用螺旋桨风速仪、超声风速仪和雨量计对该处的多个登陆台风的风雨特征进行分析，并以此为基础建立风雨联合概率分布函数。综上可知，目前人们对风雨特征的实测分析较少，对于桥址处的热带气旋风雨特征分析仍然很少。为了保障沿海地区桥梁的施工安全以及桥梁结构能够完全稳定运行，满足桥梁设计与使用要求，对桥址处的风雨特征进行全面观测，获得详细的风场特性与降雨特征，着重分析降雨前后湍流风参数的变化规律以及降雨参数，以便为进一步研究风雨联合作用下大跨度桥梁动态响应打下基础。

1  风雨监测系统

平潭海峡公铁两用大桥是中国第1座跨越海峡的高铁桥梁，全长16.338 km，包括14.399 km的公路和铁路共线以及4座主通道桥梁。分别为3座主跨为532，364和336 m的斜拉桥和1座主跨168 m的连续刚构桥。为了分析桥址处的风场与降雨特征，在鼓屿门航道桥桥塔施工阶段，在Z03主塔塔吊的第二道附墙处，布置2台三维超声风速仪和1台激光雨滴谱仪，安装高度距离海平面69.638 m。现场布置如图1所示。风雨监测系统可分为风速监测系统与降雨监测系统，风速监测系统由风速仪和工业机组成，降雨监测系统由激光雨滴谱仪和INV3090A采集仪组成，这2套系统独立工作，使用同一路由器上网，将现场实测数据上传至云端，可以通过网络远程访问查看数据并下载。

图1　仪器布置图

Fig. 1　Instrument layout

超声风速仪采用英国Gill仪器设备公司生产的WindMaster Pro。WindMaster Pro可用于多种环境下的风特性测试，最高支持32 Hz采样测量，现场采样频率设置为4 Hz，风速量程设定为0~65 m/s，测量精度设定为0.01 m/s；风向量程设定为0°~359.9°，测量精度设定为0.1°。

激光雨滴谱仪采用德国OTT/Hydromet公司生产的OTT Parsivel EF。OTT Parsivel EF可以同时测量降水粒子的粒径和下落速度，测量粒径范围为0.2~25 mm，速度范围为0.2~20 m/s。在确定了粒子直径(D)和粒子速度(v)后，根据粒子直径和速度，分到相应的直径和速度级别中进行存储。直径与速度各自有32个级别，因此，共有1 024个级别。粒径小而速度慢的粒子比粒径大而速度快的粒子的级别小。激光雨滴谱仪的采样时间间隔为1 min。

2  热带低压实测概况

2.1　热带低压概况

对平潭海峡公铁两用大桥桥址处风雨监测系统获得的一次热带低压的风雨特征进行分析。根据中央气象台台风网，该热带低压于2018-08-23T8:00在我国台湾省高雄市附近生成，于2018-08-25T11:00在福建省莆田市附近消亡，本文选取2018-08-23T12:00—2018-08-25T14:00共计50 h的实测风速与降雨粒子进行分析，热带低压中心距离桥址处的最小距离约50 km。

2.2　降雨过程与降雨事件

研究表明^[16-17]，在降雨过程中，可以按照2次连续降雨的间隔时间划分为不同的降雨事件。若间隔时间大于或等于1 h，则分别属于2个降雨事件，以此为标准，样本时段可划分为7次降雨事件，如图2所示。

图2　平均风速与降雨强度时程图

Fig. 2　Time history of mean wind speed and rainfall intensity

为了后续描述和分析需要，根据热带低压过程中的风速与降雨强度，将该样本划分成不同工况进行分析，各个工况的定义如表1所示。

表1　降雨情况划分

Table 1　Division of rainfall pattern

2.3　降雨参数

利用激光雨滴谱仪采集的降雨粒子的粒径与速度计算降雨强度与平均粒子直径这2个降雨参数。其中，降雨强度表示单位时间内的降雨量，单位为mm/h。激光雨滴谱仪采集的前2级粒子因信噪比过低，无法使用，因此，计算降雨强度时从第3级开始^[18]。此外，因自然界降雨中几乎不存在粒径在8 mm以上的大粒子^[19]，所以，最终选取3~23级的粒子进行计算，且降雨强度可以由下式计算获得：

(1)

式中：R为降雨强度；F为光雨滴谱仪的测量区域面积，F=52 cm²；t为采样的间隔时间，此处为60 s； D_i为第i级的粒子平均直径；为第i级中采样间隔时间内采集的粒子数；k为计算的最大级数，本文取23级。

平均粒子直径是指全部雨滴的直径总和除以雨滴的总数，可用下式计算：

(2)

式中：D_m为平均粒子直径。

3  热带低压风雨特征

热带低压过境时，风场与降雨特征变化较快，虽然我国JTG T 3360-01—2018“公路桥梁抗风设计规范”^[20]采用的基本时距为10 min，但此前已有研究^[21-22]表明采用1 min作为基本时距能够更好地体现台风真实的风速变化，更准确地描述短时间内的脉动风特性，因此，选取1 min为基本时距。

3.1　平均风速

在对实测风速进行风特性分析前，必须先对由风速仪直接记录的数据进行预处理，获得平均风速和3个脉动风速分量，即纵向脉动风速u、横向脉动风速v和竖向脉动风速w。超声风速仪输出U，V和W分量，正的U，V和W分别对应正北风风速分量、正东风风速分量和竖直向下风速分量。假定U_S (t)直接等于其所测得的北风(从北向南)风速分量，U_E(t)和U_U(t)分别取其所测得的东风(从东向西)风速分量的负值和竖直向下风速分量的负值，则平均风速U可以按下式表示：

(3)

式中：，和分别为(t)，(t)和(t)在1 min基本时距下的均值。

3.1.1　平均风速与降雨强度时程分析　

从图2可见：降雨前，平均风速较稳定，该段时间内的平均风速为9.49 m/s，风速在7.78~11.23 m/s之内；随着降雨过程临近，平均风速出现上升趋势；在降雨过程中，平均风速变化快，风速波动性大，平均风速为10.84 m/s，最大平均风速为18.22 m/s，最小平均风速仅为3.70 m/s。

热带低压过境中，各个情况的平均风速见表2。从表2可见：从降雨事件1到降雨事件6，平均风速均高于降雨前的平均风速，而降雨事件7中的平均风速低于降雨前的平均风速；降雨发生前后，平均风速出现较强烈变化；在降雨过程中，无降雨的平均风速高于降雨时的平均风速。

表2　降雨情况划分

Table 2　Division of rainfall pattern

3.1.2　有无降雨时平均风速分布的对比分析　

为分析有无降雨时平均风速的分布情况是否有所不同，绘制有降雨和无降雨这2种情况下的平均风速频率分布直方图。有无降雨平均风速频率直方图如图3所示。从图3可见：与无降雨情况相比，有降雨时的平均风速分布范围较广，为3.70~18.12 m/s，平均风速为10.33 m/s，而无降雨时的平均风速分布范围为6.42~18.22 m/s，平均风速为11.74 m/s；有降雨时平均风速中位数为10.41 m/s，无降雨时的中位数为11.87 m/s，且有降雨时高风速段所占比例较无降雨时小。

图3　有无降雨平均风速频率直方图

Fig. 3　Frequency histogram of rain and rainless

3.2　湍流强度

湍流强度是风场特性中1个基本和重要指标，用于描述脉动风速强度，被定义为基本时距内脉动风速标准差和平均风速的比值，即

(4)

式中：U(Z)为高度Z处的平均风速；，，分别表示纵向、横向和竖向脉动风速；表示高度为Z处的脉动风速标准差；为高度Z处的湍流强度。

3.2.1　湍流强度与降雨强度时程分析　

对整个过程中的纵向、横向和竖向湍流强度进行分析，图4所示为湍流强度与降雨强度时程图。从图4可见：在热带低压过境过程中，3个脉动分量的湍流强度在降雨开始后出现较大波动，但湍流强度与降雨强度的变化并不完全同步，湍流强度的变化存在滞后现象。

各个降雨事件与不同情况下的湍流强度如表2所示。

根据JTG T 3360-01—2018“公路桥梁抗风设计规范”^[20]桥址处的地貌应属于A类地貌，仪器安装高度为69.638 m，各脉动分量湍流强度的推荐值分别为I_u=11%，I_v=9.7%，I_w=5.5%，湍流强度的变化范围可为±30%。从表2可知：降雨前，各脉动分量湍流强度处于较低水平，小于规范推荐值，但横向湍流强度大于纵向湍流强度；在降雨过程中，降雨事件3、降雨事件5和无降雨时的纵向湍流强度和横向湍流强度均低于规范推荐值，竖向湍流强度在规范的推荐范围内，降雨事件3和降雨事件5的平均降雨强度分别为0.15 mm/h和0.16 mm/h，与其他降雨事件的平均降雨强度相比更接近无降雨时的平均降雨强度；在其余情况中，纵向湍流强度和横向湍流强度均在规范推荐范围内，但竖向湍流强度略高于规范推荐值，降雨过程的竖向湍流强度是规范推荐值I_w=5.5%的150.4%。

图4　湍流强度与降雨强度R时程图

Fig. 4　Time histories of turbulence intensity and rainfall intensity

通过对比各个降雨事件和不同情况下的纵向湍流强度可知：降雨前，无论是平均风速还是湍流强度均比降雨发生后的低；发生降雨后，在降雨过程中，纵向、横向和竖向这3个脉动分量的湍流强度分别为降雨前的219.3%，165.9%和195.9%，有很大提高；降雨时，各脉动分量湍流强度比无降雨时的大，纵向、横向和竖向这3个脉动分量的湍流强度分别为无降雨时的155.6%，132.6%和142.8%。

3.2.2　湍流强度与降雨参数　

图5所示为纵向湍流强度与降雨强度和平均粒子直径之间的关系(其他脉动分量的湍流强度与降雨强度、平均粒子直径的关系与纵向湍流强度通它们之间的关系较相似，故这里仅给出纵向湍流强度与降雨强度、平均粒子直径的关系)。

从图5可知：湍流强度与降雨强度、平均粒子直径之间的关系并不十分清晰，高湍流强度情况主要集中在小降雨强度段区域。造成该现象的原因可能是本文分析的参数主要是中小降雨强度，且大降雨强度的情况在降雨过程中出现的频率要远比中小降雨强度情况在降雨过程中出现的频率小，未能够采集到足够多的大降雨强度样本。高湍流强度主要集中分布在平均粒子直径为1 mm附近，在大粒子区域中并未观察到较高的湍流强度，研究表明^[23-24]，复杂的空气运动会直接影响雨滴在其中的运动，使得雨滴蒸发、破碎以及相互间作用发生改变，在高湍流强度影响下，可能会使较大直径雨滴破碎、分裂成小直径雨滴，因此，在高湍流强度出现时，平均粒子直径主要集中在1 mm附近。

3.3　湍流积分尺度

湍流积分尺度是用来描述脉动风中各种湍流涡旋沿某一方向的平均尺寸指标。因结构风荷载对湍流积分尺度较敏感，所以，湍流积分尺度是1个重要的风特性指标^[8]。各脉动分量沿顺风向的湍流积分尺度数学定义式^[25]为

(5)

式中：a为u，v和w，它分别表示纵向、横向和竖向；x表示顺风向；R₁₂(r)为顺风向相距为r的2点脉动风速之间的互协方差函数；为脉动风速a的方差；为脉动风速a沿顺风向x的湍流积分尺度。根据Taylor“涡流冻结传输”假设^[26]，脉动风中的涡旋以不衰减的平均风速向下游传输，可将式(5)转换为时间尺度的形式：

(6)

式中；为脉动风速的自协方差函数；为时间延迟；；为脉动风速a的时间尺度。

图5　纵向湍流强度I_u与降雨参数的关系

Fig. 5　Relationship between longitudinal turbulence intensity and rainfall parameters

表3　不同情况下的湍流积分尺度

Table 3　Turbulent integral scale under different conditions    m

3.3.1　湍流积分尺度与降雨强度时程分析　

通过自相关函数积分计算获得3个脉动分量沿顺风向的湍流积分尺度，并将其与降雨强度时程进行分析，如图6所示。

图6　湍流积分尺度与降雨强度R时程图

Fig. 6　Time histories of turbulence integral scale and rainfall intensity

不同情况下的各脉动分量湍流积分尺度的平均值、最大值和最小值见表3。

从表3可知：降雨前的各脉动分量湍流积分尺度平均值与降雨过程中的各脉动分量湍流积分尺度较接近，降雨前的各脉动分量湍流积分尺度比降雨过程中的略大，但结合图6可知降雨过程中的湍流积分尺度较降雨前有很大不同。降雨过程中的湍流积分尺度最小值比降雨前的小，纵向、横向和竖向这3个脉动分量湍流积分尺度分别是降雨前的31.1%，26.1%和43.2%；而其最大值比降雨前的大，这3个脉动分量湍流积分尺度分别是降雨前的146.6%，130.8%和137.0%。在降雨过程中，有降雨时的各脉动分量湍流积分尺度的平均值、最大值与最小值均比无降雨时的小，但两者较接近，区别并不明显。

3.3.2　时间尺度与降雨参数　

从图6可知：当降雨发生时，纵向、横向和竖向这3个脉动分量湍流积分尺度最小值、最大值均发生变化，与降雨前有所不同。湍流积分尺度和降雨特性之间可能存在一定的联系。已有研究表明^[1,27-28]，湍流积分尺度随平均风速增大而增大，为减小平均风速带来的影响，着重分析降雨与湍流积分尺度的关系。在热带低压过境过程中，纵向、横向和竖向这3个脉动分量时间尺度与降雨强度、平均粒子直径之间的关系较相似，为此，仅列出纵向时间尺度与降雨参数，如图7所示。

图7　纵向时间尺度T_u与降雨参数的关系

Fig. 7　Relationship between longitudinal time scale and rainfall parameters

从图7中未能够观察到纵向时间尺度与降雨参数存在明确的联系，时间尺度主要集中分布在小降雨强度区域。时间尺度与平均粒子直径的关系和湍流强度与平均粒子直径的关系有些类似，时间尺度中的大尺度主要集中在1 mm区域附近，可能是由于受天气系统控制的低频大涡为湍流活动贡献能量^[29-30]，使二者出现相同的变化趋势。

3.4　脉动风速功率谱

脉动风速功率谱反映了湍流动能在频域上的分布，可以用来描述不同尺寸涡旋运动对风速脉动能量的贡献。脉动风速功率谱是风工程研究中的1个重要参数，一般都以约化风谱的形式出现，如(其中，n为工程频率，单位为Hz；u_*为摩擦风速，单位为m/s；为脉动风速a的功率谱密度函数，单位为m²/s)，这是因为该形式下的约化风谱至少有1个与典型湍流涡旋尺度相对应的峰值。

图8～10所示分别为降雨前、降雨时和无降雨这3种情况下典型时段纵向、横向与竖向的脉动风速功率谱，选取Simiu谱、von Karman谱与纵向、横向的脉动风速功率谱进行对比，选取Panofsky谱、von Karman谱和竖向脉动风速功率谱进行对比。

图8　不同情况下纵向脉动风速功率谱密度

Fig. 8　Power spectral density of longitudinal fluctuating component under different conditions

图9　不同情况下横向脉动风速功率谱密度

Fig. 9　Power spectral density of transverse fluctuating component under different conditions

图10　不同情况下竖向脉动风速功率谱密度

Fig. 10　Power spectral density of vertical fluctuating component under different conditions

从图10可见：降雨前，纵向脉动风速功率谱在高频段与低频段和Simiu谱吻合度较高，但与von Karman谱对比，实测结果在低频段略高，在高频段略低；横向脉动风速功率谱在低频段略低于Simiu谱和von Karman谱，在高频段与这2个经验谱吻合度较高；竖向脉动风速功率在低频段略低于Panofsky谱和von Karman谱，在高频段与这2个经验谱吻合度较高；在降雨过程中，即有降雨与无降雨时，纵向和横向脉动风速功率谱在低频段略低于Simiu谱和von Karman谱，在高频段出现上扬趋势，且高于这2个经验谱；竖向脉动风速功率谱在低频段略低于Panofsky谱和von Karman谱，在高频段出现上扬趋势，且高于这2个经验谱。实测谱显示出与经验谱不一样的变化趋势，与TANG等^{[10, 21, 27]}观测到的台风登陆过程中的脉动风速功率谱密度变化趋势较相似。

4  结论

1) 在降雨过程刚发生时，平均风速变化较大，降雨前的平均风速为9.57 m/s，降雨过程中的平均风速为10.84 m/s，比降雨前的平均风速大13.3%；降雨时平均风速为10.33 m/s，无降雨的平均风速为11.74 m/s，较降雨时的平均风速大13.7%。平均风速的变化在降雨过程中要比降雨前大得多。在降雨事件中，平均风速在降雨出现前后开始增大，但随着降雨持续，平均风速开始出现减小的趋势。降雨过程结束后一段时间内，平均风速较低，低于降雨前和降雨过程中的平均风速。

2) 湍流强度在降雨前与降雨过程中的变化最显著，与降雨前相比，降雨过程中纵向、横向和竖向这3个脉动分量的湍流强度分别为降雨前的219.3%，165.0%和195.9%。当某个降雨事件的平均降雨强度较低时，该阶段内的湍流强度也低于降雨过程的平均湍流强度。湍流强度与降雨强度、平均粒子直径没有存在显著相关性，但高湍流强度会使得大直径的雨滴发生蒸发、破碎，高湍流强度主要集中在平均粒子直径为1 mm区域附近。

3) 各脉动分量湍流积分尺度的均值在降雨前与降雨过程中较接近，但其最大值与最小值有较大不同，降雨过程中各脉动分量湍流积分尺度的最小值比降雨前小，而最大值比降雨前大。有降雨和无降雨时各脉动分量湍流积分尺度无论均值还是最大值、最小值都较相近，没有明显差别。湍流积分尺度与每分钟的降雨强度、平均粒子直径没有明确的相关性，大尺度涡和湍流强度主要集中在1 mm的平均粒子直径区域。这可能是由于大尺度涡为湍流活动提供了能量，使得湍流强度增大。

4) 热带低压中的各分量脉动风速功率谱在降雨前、降雨过程(包含有降雨和无降雨)这2种情况下有较大不同，主要体现在高频段上，降雨过程中的各分量脉动风速功率谱在高频段出现上扬，高于经验谱。在有降雨和无降雨这2种情况下的各分量脉动风速功率谱变化趋势相同。

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（编辑  陈灿华）

收稿日期： 2020 -02 -09; 修回日期： 2020 -04 -10

基金项目(Foundation item)：中国铁道科学研究院集团有限公司基金资助项目(218YJ048)；国家自然科学基金资助项目(51808563，51925808) (Project(218YJ048) supported by the Foundation of China Academy of Railway Sciences Corporation Limited; Projects(51808563, 5192580) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：严磊，博士，讲师，从事桥梁风工程研究；E-mail：leiyan@csu.edu.cn