台风环境及其对大跨度桥梁影响的最新研究综述

这是一篇关于台风环境及其对大跨度桥梁影响的最新研究综述的思维导图，主要内容包括：6. 总结与展望，5. 非天气风下桥梁的风致响应，4. 非天气风环境的风洞试验和数值模拟，3. 台风的特殊风环境特征，2. 模拟和风速预测，1. 引言，摘要。

台风环境及其对大跨度桥梁影响的最新研究综述

• 摘要
  • 经过40多年的经济改革，中国经济迅速发展，大量人口和财富集中在中国东南沿海地区，不幸的是，台风经常发生。许多长跨度桥梁可能受到风害的威胁。由于特殊的螺旋风场和中尺度局部强风特征，台风诱发的风为长跨度桥梁的风工程分析带来了几个新挑战。本文回顾了台风风场特征和台风诱发的长跨度桥梁结构响应的最新研究，包括以下四个方面。首先，按时间顺序概述了台风灾害模拟技术，包括全路径方法和台风风场模型。第二，介绍了台风湍流特性，包括非定常性、非高斯力、强湍流强度和非天气谱。第三，采用先进的主动控制多风扇和翼型级联风洞和计算流体动力学来模拟台风场。第四，介绍了考虑非定常性和非高斯特征的台风风诱发长跨度桥梁颤振分析方法。最后，提出了几个关于台风气候条件下长跨度桥梁风致性能的前瞻性研究领域。
• 1. 引言
  • 桥梁是交通网络的关键节点和枢纽，对促进城市发展、现代工业体系建设和城市规划起着重要作用。然而，中国的长海岸线位于西北太平洋海岸，每年频繁发生的破坏性台风威胁着经济和社会发展以及公共安全和财产。这已经成为中国乃至全球的一个主要社会问题。许多研究表明，台风是造成人员伤亡和财产损失最严重的自然灾害。台风是指中尺度热带气旋，在南太平洋（气旋）和大西洋、东太平洋（飓风）有不同的名称。（本综述中将统一使用台风。）随着全球变暖，台风的发生频率和强度都在增加。此外，中国大部分经济活动中心位于东部沿海地区和西北太平洋，台风发生频率最高。许多超大跨海桥梁，如港珠澳大桥、西堠门大桥和南沙大桥，面临台风登陆的威胁。
• 2. 模拟和风速预测
  • 当前的抗风标准中，极端风速的预测大多来自气象风速测量站，每年大量的季风数据确保了极端风速数据的准确性。然而，由于台风数据的稀缺性，仅使用历史数据无法可靠地预测极端风速，因此有必要进行台风数值模拟以手动生成台风风速样本。
  • 2.1. 路径和强度模拟
    • 台风路径和强度模拟的最早模拟方法是Russell于1969年建立的单点模拟方法。该方法首先总结了台风生成率、位置、中心压差、最大风速半径和台风移动速度等关键参数的概率分布模型。使用蒙特卡洛方法模拟生成许多台风灾害样本，从而获得该地区的台风灾害数据。从那时起，许多学者研究了这个模型。1980年，Batts等人率先将此方法应用于美国整个东海岸和墨西哥湾沿岸。1983年，Georgiou讨论了通过数学模型计算设计风速的问题，提倡全面考虑热带气旋的发生，从时间和空间两个方面进行了改进。
  • 2.2. 风场模拟
    • 风场模型将台风强度转换为风速场，是台风风险评估的关键部分。在水平方向上，风场结构大致可分为眼区、眼壁区和周边扩散区。在眼区，气流几乎静止，迅速增加到风壁的最大值，然后沿周边扩散区逐渐减小。另一方面，压差在眼区最低，并沿周边逐渐增加。台风结构图如图2所示。
  • 2.3. 极端风速计算
    • 通过台风路径强度模型和台风风场模型计算台风风速后，应通过概率极值模型计算不同重现期的设计风速。在传统方法中，通过独立同分布假设拟合年极端风速，并获得不同重现期的极端风速。然而，对于受台风影响的地区，极端风速至少包含两种气象特征——季风和台风，这不符合相同分布的假设。
• 3. 台风的特殊风环境特征
  • 现有的抗风分析方法对季风风场处理得很好，但台风作为中尺度螺旋风场，在平均风和脉动风方面具有独特的特征。近年来，观测技术的进步，如探空气象气球、多普勒雷达和超声风速计，提高了对台风风特性的理解。特别是对于靠近台风壁的区域，风的特性与季风相比有很大不同，但对于远离台风中心的外围区域，主要由暴露/地形条件控制。
  • 3.1. 平均风特性
    • 早期的研究通过传统的幂函数描述台风剖面，因为观测高度有限。许多记录表明，台风剖面指数大于季风。然而，对于不同的台风或同一台风的不同时间，风剖面幂律指数显示出显著的可变性。
  • 3.2. 湍流特性
    • 近年来，高频风速观测设备的广泛应用，如深圳气象梯度观测塔和大型桥梁上广泛安装的结构健康监测系统，推进了对台风湍流特性的研究。
• 4. 非天气风环境的风洞试验和数值模拟
  • 传统的边界层风洞是基于线性季风特征开发的，使用粗糙元素和楔形物来模拟边界层的风剖面和湍流剖面特征。前一节描述的台风特性对风洞试验技术提出了新的挑战。
  • 4.1. 风洞试验技术
    • 在台风研究的早期阶段，由于实验条件的限制，传统的边界层风洞技术仅用于模拟特定的台风特性。为了研究台风风场对广州新光大桥风抗力的影响，王等人使用密集的粗糙元素和楔形物成功实现了台风条件下的强湍流流场。
  • 4.2. 数值模拟技术
    • 随着计算流体动力学（CFD）和计算机技术的发展，数值模拟已广泛用于小尺度非天气风的研究，包括龙卷风、下击暴流和峡谷风。然而，由于台风是具有涡旋的中尺度流场，尺度在500-1000公里范围内，因此不能直接通过CFD模拟整个台风风场。
• 5. 非天气风下桥梁的风致响应
  • 传统的频域分析方法基于定常高斯湍流。需要提出一种有用的方法来分析台风条件下非高斯和非定常湍流下的颤振分析。不同的学者从不同的角度提出了不同的解决方案。
  • 5.1. 理论分析
    • 与台风气候分析类似，首先考虑长跨度桥梁在非定常风下的颤振响应。陈等人通过定常过程确定动态参数，然后使用时频分析方法计算非定常动态响应。
  • 5.2. 通过人工智能进行风效预测
    • 随着人工智能的发展和大型桥梁健康监测系统的广泛应用，许多机器学习和人工智能算法已被用于预测台风中桥梁结构的风致响应。
  • 5.3. 现场测量
    • 目前，主流的风测量设备涉及固定点观测，但能够捕获的台风数量有限；特别是很难获得靠近台风中心的风速数据。探空观测也是可能的，但这些一次性设备不能重复使用，设备损失的成本很高。结构健康监测系统是可用的，但它们无法获得高空风环境信息。因此，有必要开发一种车载移动观测平台，其特点是灵活的安排，并且可以实时跟踪风灾信息。
• 6. 总结与展望
  • 现代桥梁抗风理论和相应的风洞测试方法加速了近年来中国大跨度桥梁的快速发展。然而，现有的大跨度桥梁抗风设计方法基于传统的季风气候。中国许多超大跨度的海上桥梁位于东南沿海的台风易发区，需要分析台风条件下桥梁抗风安全性能。在过去的十年中，许多学者研究了以下四个领域，以应对台风独特的螺旋风场结构带来的一系列挑战。