何旭輝，汪震，嚴磊，任磊，郭輝

(1.中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2.中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙，410075；3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京，100081)

近年來，隨著國家經(jīng)濟實力的不斷增強，我國基礎設施建設得到長足發(fā)展。橋梁是重要的交通基礎設施之一，被譽為各大交通線的控制咽喉。伴隨著科學技術進步，橋梁也進入快速發(fā)展階段，橋梁的跨度越來越大，修建材料也更加輕質(zhì)，橋梁對荷載的敏感性增加。我國東南沿海地區(qū)常常受熱帶氣旋的影響，強風往往還伴隨著強降雨。風及風雨耦合對于橋梁結(jié)構(gòu)的作用和機理一直是研究者們研究和關注的熱點，要分析風雨對大跨度橋梁的設計和施工過程的影響，需要對橋址處熱帶氣旋的風雨特征展開研究，而現(xiàn)場實測與分析是目前最直接且有效的手段，近年來，人們已開展許多研究，如：FENERCI 等[1-3]利用Hardanger Bridge 健康監(jiān)測系統(tǒng)，對橋位處的平均風速、平均風向及湍流強度等風場特性參數(shù)進行了研究；SHIAU 等[4-5]采用現(xiàn)場實測對基隆港附近的風場特性進行分析，發(fā)現(xiàn)實測的縱向脈動風速功率譜與von Karman 譜較吻合；史文海等[6-8]通過現(xiàn)場實測對浙南地區(qū)熱帶氣旋的風場特性進行分析，發(fā)現(xiàn)臺風風場的平均風速、風向角隨著平均時距的增加趨于平穩(wěn)，短時距(例如1 min和3 s)能夠更好地反映風場特性，尤其是高風速的脈動性和變化規(guī)律。這些研究更多的是關注風場，而同時開展風場與降雨實地測量對風雨特征進行分析的研究較少。KIM等[9]借助三維超聲風速儀和激光雨滴譜儀對山區(qū)風雨特征進行研究，結(jié)果表明風在背風側(cè)和迎風側(cè)對降雨強度的影響不同；TANG等[10]對16個不同地點進行長達21月的風驅(qū)雨測量，分析了94個降雨事件，發(fā)現(xiàn)風驅(qū)雨受風速、風向、降雨強度和地點的影響較大；CHOI[11]在新加坡建立風雨觀測站(使用風杯式風速儀和雨量計)采集風速、風向和雨量，并對雷暴和非雷暴情況下的風場特性進行對比研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)強陣風都是在雷暴中發(fā)生的；DEROME 等[12]對目前風驅(qū)雨值得關注的10 個問題進行總結(jié)，提出湍流特性是風驅(qū)雨分析中不能夠忽視的因素；劉科等[13-15]基于瓊州海峽跨海大橋橋址處的測風塔，利用螺旋槳風速儀、超聲風速儀和雨量計對該處的多個登陸臺風的風雨特征進行分析，并以此為基礎建立風雨聯(lián)合概率分布函數(shù)。綜上可知，目前人們對風雨特征的實測分析較少，對于橋址處的熱帶氣旋風雨特征分析仍然很少。為了保障沿海地區(qū)橋梁的施工安全以及橋梁結(jié)構(gòu)能夠完全穩(wěn)定運行，滿足橋梁設計與使用要求，對橋址處的風雨特征進行全面觀測，獲得詳細的風場特性與降雨特征，著重分析降雨前后湍流風參數(shù)的變化規(guī)律以及降雨參數(shù)，以便為進一步研究風雨聯(lián)合作用下大跨度橋梁動態(tài)響應打下基礎。

1 風雨監(jiān)測系統(tǒng)

平潭海峽公鐵兩用大橋是中國第1座跨越海峽的高鐵橋梁，全長16.338 km，包括14.399 km的公路和鐵路共線以及4座主通道橋梁。分別為3座主跨為532，364 和336 m 的斜拉橋和1 座主跨168 m的連續(xù)剛構(gòu)橋。為了分析橋址處的風場與降雨特征，在鼓嶼門航道橋橋塔施工階段，在Z03主塔塔吊的第二道附墻處，布置2 臺三維超聲風速儀和1臺激光雨滴譜儀，安裝高度距離海平面69.638 m?，F(xiàn)場布置如圖1所示。風雨監(jiān)測系統(tǒng)可分為風速監(jiān)測系統(tǒng)與降雨監(jiān)測系統(tǒng)，風速監(jiān)測系統(tǒng)由風速儀和工業(yè)機組成，降雨監(jiān)測系統(tǒng)由激光雨滴譜儀和INV3090A 采集儀組成，這2 套系統(tǒng)獨立工作，使用同一路由器上網(wǎng)，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)上傳至云端，可以通過網(wǎng)絡遠程訪問查看數(shù)據(jù)并下載。

超聲風速儀采用英國Gill儀器設備公司生產(chǎn)的WindMaster Pro。WindMaster Pro 可用于多種環(huán)境下的風特性測試，最高支持32 Hz采樣測量，現(xiàn)場采樣頻率設置為4 Hz，風速量程設定為0～65 m/s，測量精度設定為0.01 m/s；風向量程設定為0°～359.9°，測量精度設定為0.1°。

圖1 儀器布置圖Fig.1 Instrument layout

激光雨滴譜儀采用德國OTT/Hydromet 公司生產(chǎn)的OTT Parsivel EF。OTT Parsivel EF可以同時測量降水粒子的粒徑和下落速度，測量粒徑范圍為0.2～25 mm，速度范圍為0.2～20 m/s。在確定了粒子直徑(D)和粒子速度(v)后，根據(jù)粒子直徑和速度，分到相應的直徑和速度級別中進行存儲。直徑與速度各自有32個級別，因此，共有1 024個級別。粒徑小而速度慢的粒子比粒徑大而速度快的粒子的級別小。激光雨滴譜儀的采樣時間間隔為1 min。

2 熱帶低壓實測概況

2.1 熱帶低壓概況

對平潭海峽公鐵兩用大橋橋址處風雨監(jiān)測系統(tǒng)獲得的一次熱帶低壓的風雨特征進行分析。根據(jù)中央氣象臺臺風網(wǎng)，該熱帶低壓于2018-08-23T8:00 在我國臺灣省高雄市附近生成，于2018-08-25T11:00在福建省莆田市附近消亡，本文選取2018-08-23T12:00—2018-08-25T14:00 共計50 h的實測風速與降雨粒子進行分析，熱帶低壓中心距離橋址處的最小距離約50 km。

2.2 降雨過程與降雨事件

研究表明[16-17]，在降雨過程中，可以按照2 次連續(xù)降雨的間隔時間劃分為不同的降雨事件。若間隔時間大于或等于1 h，則分別屬于2 個降雨事件，以此為標準，樣本時段可劃分為7 次降雨事件，如圖2所示。

為了后續(xù)描述和分析需要，根據(jù)熱帶低壓過程中的風速與降雨強度，將該樣本劃分成不同工況進行分析，各個工況的定義如表1所示。

2.3 降雨參數(shù)

利用激光雨滴譜儀采集的降雨粒子的粒徑與速度計算降雨強度與平均粒子直徑這2 個降雨參數(shù)。其中，降雨強度表示單位時間內(nèi)的降雨量，單位為mm/h。激光雨滴譜儀采集的前2 級粒子因信噪比過低，無法使用，因此，計算降雨強度時從第3級開始[18]。此外，因自然界降雨中幾乎不存在粒徑在8 mm 以上的大粒子[19]，所以，最終選取3～23 級的粒子進行計算，且降雨強度可以由下式計算獲得：

圖2 平均風速與降雨強度時程圖Fig.2 Time history of mean wind speed and rainfall intensity

表1 降雨情況劃分Table 1 Division of rainfall pattern

式中：R為降雨強度；F為光雨滴譜儀的測量區(qū)域面積，F(xiàn)=52 cm2；t為采樣的間隔時間，此處為60 s；Di為第i級的粒子平均直徑；Δni為第i級中采樣間隔時間內(nèi)采集的粒子數(shù)；k為計算的最大級數(shù)，本文取23級。

平均粒子直徑是指全部雨滴的直徑總和除以雨滴的總數(shù)，可用下式計算：

式中：Dm為平均粒子直徑。

3 熱帶低壓風雨特征

熱帶低壓過境時，風場與降雨特征變化較快，雖然我國JTG T 3360-01—2018“公路橋梁抗風設計規(guī)范”[20]采用的基本時距為10 min，但此前已有研究[21-22]表明采用1 min 作為基本時距能夠更好地體現(xiàn)臺風真實的風速變化，更準確地描述短時間內(nèi)的脈動風特性，因此，選取1 min為基本時距。

3.1 平均風速

在對實測風速進行風特性分析前，必須先對由風速儀直接記錄的數(shù)據(jù)進行預處理，獲得平均風速和3 個脈動風速分量，即縱向脈動風速u、橫向脈動風速v和豎向脈動風速w。超聲風速儀輸出U，V和W分量，正的U，V和W分別對應正北風風速分量、正東風風速分量和豎直向下風速分量。假定US(t)直接等于其所測得的北風(從北向南)風速分量，UE(t)和UU(t)分別取其所測得的東風(從東向西)風速分量的負值和豎直向下風速分量的負值，則平均風速U可以按下式表示：

3.1.1 平均風速與降雨強度時程分析

從圖2可見：降雨前，平均風速較穩(wěn)定，該段時間內(nèi)的平均風速為9.49 m/s，風速在7.78～11.23 m/s 之內(nèi)；隨著降雨過程臨近，平均風速出現(xiàn)上升趨勢；在降雨過程中，平均風速變化快，風速波動性大，平均風速為10.84 m/s，最大平均風速為18.22 m/s，最小平均風速僅為3.70 m/s。

熱帶低壓過境中，各個情況的平均風速見表2。從表2可見：從降雨事件1到降雨事件6，平均風速均高于降雨前的平均風速，而降雨事件7中的平均風速低于降雨前的平均風速；降雨發(fā)生前后，平均風速出現(xiàn)較強烈變化；在降雨過程中，無降雨的平均風速高于降雨時的平均風速。

3.1.2 有無降雨時平均風速分布的對比分析

為分析有無降雨時平均風速的分布情況是否有所不同，繪制有降雨和無降雨這2種情況下的平均風速頻率分布直方圖。有無降雨平均風速頻率直方圖如圖3所示。從圖3可見：與無降雨情況相比，有降雨時的平均風速分布范圍較廣，為3.70～18.12 m/s，平均風速為10.33 m/s，而無降雨時的平均風速分布范圍為6.42～18.22 m/s，平均風速為11.74 m/s；有降雨時平均風速中位數(shù)為10.41 m/s，無降雨時的中位數(shù)為11.87 m/s，且有降雨時高風速段所占比例較無降雨時小。

3.2 湍流強度

湍流強度是風場特性中1 個基本和重要指標，用于描述脈動風速強度，被定義為基本時距內(nèi)脈動風速標準差和平均風速的比值，即

式中：U(Z)為高度Z處的平均風速；a為u，v和w，分別表示縱向、橫向和豎向脈動風速；σa(Z)表示高度為Z處的脈動風速標準差；Ia(Z)為高度Z處的湍流強度。

3.2.1 湍流強度與降雨強度時程分析

圖3 有無降雨平均風速頻率直方圖Fig.3 Frequency histogram of rain and rainless

對整個過程中的縱向、橫向和豎向湍流強度進行分析，圖4所示為湍流強度與降雨強度時程圖。從圖4可見：在熱帶低壓過境過程中，3 個脈動分量的湍流強度在降雨開始后出現(xiàn)較大波動，但湍流強度與降雨強度的變化并不完全同步，湍流強度的變化存在滯后現(xiàn)象。

各個降雨事件與不同情況下的湍流強度如表2所示。

根據(jù)JTG T 3360-01—2018“公路橋梁抗風設計規(guī)范”[20]橋址處的地貌應屬于A類地貌，儀器安裝高度為69.638 m，各脈動分量湍流強度的推薦值分別為Iu=11%，Iv=9.7%，Iw=5.5%，湍流強度的變化范圍可為±30%。從表2可知：降雨前，各脈動分量湍流強度處于較低水平，小于規(guī)范推薦值，但橫向湍流強度大于縱向湍流強度；在降雨過程中，降雨事件3、降雨事件5 和無降雨時的縱向湍流強度和橫向湍流強度均低于規(guī)范推薦值，豎向湍流強度在規(guī)范的推薦范圍內(nèi)，降雨事件3和降雨事件5 的平均降雨強度分別為0.15 mm/h 和0.16 mm/h，與其他降雨事件的平均降雨強度相比更接近無降雨時的平均降雨強度；在其余情況中，縱向湍流強度和橫向湍流強度均在規(guī)范推薦范圍內(nèi)，但豎向湍流強度略高于規(guī)范推薦值，降雨過程的豎向湍流強度是規(guī)范推薦值Iw=5.5% 的150.4%。

表2 降雨情況劃分Table 2 Division of rainfall pattern

圖4 湍流強度與降雨強度R時程圖Fig.4 Time histories of turbulence intensity and rainfall intensity

通過對比各個降雨事件和不同情況下的縱向湍流強度可知：降雨前，無論是平均風速還是湍流強度均比降雨發(fā)生后的低；發(fā)生降雨后，在降雨過程中，縱向、橫向和豎向這3個脈動分量的湍流強度分別為降雨前的219.3%，165.9% 和195.9%，有很大提高；降雨時，各脈動分量湍流強度比無降雨時的大，縱向、橫向和豎向這3個脈動分量的湍流強度分別為無降雨時的155.6%，132.6%和142.8%。

3.2.2 湍流強度與降雨參數(shù)

圖5所示為縱向湍流強度與降雨強度和平均粒子直徑之間的關系(其他脈動分量的湍流強度與降雨強度、平均粒子直徑的關系與縱向湍流強度通它們之間的關系較相似，故這里僅給出縱向湍流強度與降雨強度、平均粒子直徑的關系)。

從圖5可知：湍流強度與降雨強度、平均粒子直徑之間的關系并不十分清晰，高湍流強度情況主要集中在小降雨強度段區(qū)域。造成該現(xiàn)象的原因可能是本文分析的參數(shù)主要是中小降雨強度，且大降雨強度的情況在降雨過程中出現(xiàn)的頻率要遠比中小降雨強度情況在降雨過程中出現(xiàn)的頻率小，未能夠采集到足夠多的大降雨強度樣本。高湍流強度主要集中分布在平均粒子直徑為1 mm附近，在大粒子區(qū)域中并未觀察到較高的湍流強度，研究表明[23-24]，復雜的空氣運動會直接影響雨滴在其中的運動，使得雨滴蒸發(fā)、破碎以及相互間作用發(fā)生改變，在高湍流強度影響下，可能會使較大直徑雨滴破碎、分裂成小直徑雨滴，因此，在高湍流強度出現(xiàn)時，平均粒子直徑主要集中在1 mm附近。

3.3 湍流積分尺度

湍流積分尺度是用來描述脈動風中各種湍流渦旋沿某一方向的平均尺寸指標。因結(jié)構(gòu)風荷載對湍流積分尺度較敏感，所以，湍流積分尺度是1個重要的風特性指標[8]。各脈動分量沿順風向的湍流積分尺度數(shù)學定義式[25]為

式中：a為u，v和w，它分別表示縱向、橫向和豎向；x表示順風向；R12(r)為順風向相距為r的2 點脈動風速之間的互協(xié)方差函數(shù)；為脈動風速a的方差；為脈動風速a沿順風向x的湍流積分尺度。根據(jù)Taylor“渦流凍結(jié)傳輸”假設[26]，脈動風中的渦旋以不衰減的平均風速向下游傳輸，可將式(5)轉(zhuǎn)換為時間尺度的形式：

式中；Ra(τ)為脈動風速a的自協(xié)方差函數(shù)；τ為時間延遲；Ra(0)=；Ta為脈動風速a的時間尺度。

3.3.1 湍流積分尺度與降雨強度時程分析

通過自相關函數(shù)積分計算獲得3個脈動分量沿順風向的湍流積分尺度，并將其與降雨強度時程進行分析，如圖6所示。

不同情況下的各脈動分量湍流積分尺度的平均值、最大值和最小值見表3。

從表3可知：降雨前的各脈動分量湍流積分尺度平均值與降雨過程中的各脈動分量湍流積分尺度較接近，降雨前的各脈動分量湍流積分尺度比降雨過程中的略大，但結(jié)合圖6可知降雨過程中的湍流積分尺度較降雨前有很大不同。降雨過程中的湍流積分尺度最小值比降雨前的小，縱向、橫向和豎向這3個脈動分量湍流積分尺度分別是降雨前的31.1%，26.1%和43.2%；而其最大值比降雨前的大，這3個脈動分量湍流積分尺度分別是降雨前的146.6%，130.8%和137.0%。在降雨過程中，有降雨時的各脈動分量湍流積分尺度的平均值、最大值與最小值均比無降雨時的小，但兩者較接近，區(qū)別并不明顯。

圖5 縱向湍流強度Iu與降雨參數(shù)的關系Fig.5 Relationship between longitudinal turbulence intensity and rainfall parameters

表3 不同情況下的湍流積分尺度Table 3 Turbulent integral scale under different conditions m

圖6 湍流積分尺度與降雨強度R時程圖Fig.6 Time histories of turbulence integral scale and rainfall intensity

3.3.2 時間尺度與降雨參數(shù)

從圖6可知：當降雨發(fā)生時，縱向、橫向和豎向這3個脈動分量湍流積分尺度最小值、最大值均發(fā)生變化，與降雨前有所不同。湍流積分尺度和降雨特性之間可能存在一定的聯(lián)系。已有研究表明[1,27-28]，湍流積分尺度隨平均風速增大而增大，為減小平均風速帶來的影響，著重分析降雨與湍流積分尺度的關系。在熱帶低壓過境過程中，縱向、橫向和豎向這3個脈動分量時間尺度與降雨強度、平均粒子直徑之間的關系較相似，為此，僅列出縱向時間尺度與降雨參數(shù)，如圖7所示。

從圖7中未能夠觀察到縱向時間尺度與降雨參數(shù)存在明確的聯(lián)系，時間尺度主要集中分布在小降雨強度區(qū)域。時間尺度與平均粒子直徑的關系和湍流強度與平均粒子直徑的關系有些類似，時間尺度中的大尺度主要集中在1 mm區(qū)域附近，可能是由于受天氣系統(tǒng)控制的低頻大渦為湍流活動貢獻能量[29-30]，使二者出現(xiàn)相同的變化趨勢。

3.4 脈動風速功率譜

脈動風速功率譜反映了湍流動能在頻域上的分布，可以用來描述不同尺寸渦旋運動對風速脈動能量的貢獻。脈動風速功率譜是風工程研究中的1 個重要參數(shù)，一般都以約化風譜的形式出現(xiàn)，如nSa/u2*(其中，n為工程頻率，單位為Hz；u*為摩擦風速，單位為m/s；Sa為脈動風速a的功率譜密度函數(shù)，單位為m2/s)，這是因為該形式下的約化風譜至少有1 個與典型湍流渦旋尺度相對應的峰值。

圖8～10所示分別為降雨前、降雨時和無降雨這3種情況下典型時段縱向、橫向與豎向的脈動風速功率譜，選取Simiu 譜、von Karman 譜與縱向、橫向的脈動風速功率譜進行對比，選取Panofsky譜、von Karman 譜和豎向脈動風速功率譜進行對比。

圖7 縱向時間尺度Tu與降雨參數(shù)的關系Fig.7 Relationship between longitudinal time scale and rainfall parameters

圖8 不同情況下縱向脈動風速功率譜密度Fig.8 Power spectral density of longitudinal fluctuating component under different conditions

圖9 不同情況下橫向脈動風速功率譜密度Fig.9 Power spectral density of transverse fluctuating component under different conditions

從圖10可見：降雨前，縱向脈動風速功率譜在高頻段與低頻段和Simiu 譜吻合度較高，但與von Karman 譜對比，實測結(jié)果在低頻段略高，在高頻段略低；橫向脈動風速功率譜在低頻段略低于Simiu譜和von Karman譜，在高頻段與這2個經(jīng)驗譜吻合度較高；豎向脈動風速功率在低頻段略低于Panofsky譜和von Karman譜，在高頻段與這2個經(jīng)驗譜吻合度較高；在降雨過程中，即有降雨與無降雨時，縱向和橫向脈動風速功率譜在低頻段略低于Simiu譜和von Karman譜，在高頻段出現(xiàn)上揚趨勢，且高于這2個經(jīng)驗譜；豎向脈動風速功率譜在低頻段略低于Panofsky譜和von Karman譜，在高頻段出現(xiàn)上揚趨勢，且高于這2個經(jīng)驗譜。實測譜顯示出與經(jīng)驗譜不一樣的變化趨勢，與TANG等[10,21,27]觀測到的臺風登陸過程中的脈動風速功率譜密度變化趨勢較相似。

圖10 不同情況下豎向脈動風速功率譜密度Fig.10 Power spectral density of vertical fluctuating component under different conditions

4 結(jié)論

1)在降雨過程剛發(fā)生時，平均風速變化較大，降雨前的平均風速為9.57 m/s，降雨過程中的平均風速為10.84 m/s，比降雨前的平均風速大13.3%；降雨時平均風速為10.33 m/s，無降雨的平均風速為11.74 m/s，較降雨時的平均風速大13.7%。平均風速的變化在降雨過程中要比降雨前大得多。在降雨事件中，平均風速在降雨出現(xiàn)前后開始增大，但隨著降雨持續(xù)，平均風速開始出現(xiàn)減小的趨勢。降雨過程結(jié)束后一段時間內(nèi)，平均風速較低，低于降雨前和降雨過程中的平均風速。

2)湍流強度在降雨前與降雨過程中的變化最顯著，與降雨前相比，降雨過程中縱向、橫向和豎向這3 個脈動分量的湍流強度分別為降雨前的219.3%，165.0%和195.9%。當某個降雨事件的平均降雨強度較低時，該階段內(nèi)的湍流強度也低于降雨過程的平均湍流強度。湍流強度與降雨強度、平均粒子直徑?jīng)]有存在顯著相關性，但高湍流強度會使得大直徑的雨滴發(fā)生蒸發(fā)、破碎，高湍流強度主要集中在平均粒子直徑為1 mm區(qū)域附近。

3)各脈動分量湍流積分尺度的均值在降雨前與降雨過程中較接近，但其最大值與最小值有較大不同，降雨過程中各脈動分量湍流積分尺度的最小值比降雨前小，而最大值比降雨前大。有降雨和無降雨時各脈動分量湍流積分尺度無論均值還是最大值、最小值都較相近，沒有明顯差別。湍流積分尺度與每分鐘的降雨強度、平均粒子直徑?jīng)]有明確的相關性，大尺度渦和湍流強度主要集中在1 mm的平均粒子直徑區(qū)域。這可能是由于大尺度渦為湍流活動提供了能量，使得湍流強度增大。

4)熱帶低壓中的各分量脈動風速功率譜在降雨前、降雨過程(包含有降雨和無降雨)這2 種情況下有較大不同，主要體現(xiàn)在高頻段上，降雨過程中的各分量脈動風速功率譜在高頻段出現(xiàn)上揚，高于經(jīng)驗譜。在有降雨和無降雨這2種情況下的各分量脈動風速功率譜變化趨勢相同。