桥梁风工程若干气象问题的研究及工程化试验

论文摘要

针对现代大桥发展实际及国内桥梁设计风参数确定及施工气象安全保障的需求,在分析国内外相关现状及存在问题的基础上,开展桥梁设计风参数计算方法和施工气象安全保障技术的研究,并依托苏通大桥和青岛海湾大桥建设项目,进行工程化试验。主要成果和结论:基于统计学、天气气候学和流体力学物理量分布连续性原理,构建了适合我国实际的设计风速计算方案,并通过工程化试验,为依托工程提供设计风速地同时,解决了桥位风速资料缺乏无法计算重现期风速及直接采用规范值不能反映桥位特征的问题。结合气象统计学原理及桥梁建设实际,引入广义极值分布模型,给出一定保证率下实际风速不会超越的极值风速算法,将工程□外包线”的主观确定客观化,解决了现行规范使用单一极值分布模型造成的可能不适应及验证风速分布归属某一分布的困难,降低了风参数确定主观化和拘泥于现行规范带来的工程风险。开展了较长时间的水面、水岸与气象站同步观测试验和风攻角等湍流特性的观测研究,揭示出一些不同于以往风工程理论的观测事实,这些工作对桥梁抗风设计风参数的确定起到积极作用,也为相关标准、规范制修订提供了基础数据。运用WRF中尺度模式进行了宽阔水面大风的数值模拟和敏感性试验,评估了模式对水面极值风速的模拟能力及模式参数化方案对模拟效果影响的敏感性。开发GPRS与Internet相结合的远程数据传输技术,建立江面大风等预报模式,编制集信息采集、传输、应用于一体的系统软件,构建了工程区气象安全保障系统,并通过工程化试验,证明了其可行性和有效性。通过理论研究、实地观测试验、数值模拟和研究成果工程化试验,证明了:①直接采用气象站资料或规范的计算结果表征桥位风参数会造成较大的误差;②研究提出的设计风参数计算方法能够一定程度上克服现行方法的不足;③特殊地理条件下,桥位风攻角、湍流功率谱等湍流特性值及水面与水岸、气象站风速差异与规范推荐值存在不同程度差异,实地观测试验有助于修正标准、规范值;④水陆分布是造成桥位与气象站风速差异的主因,WRF模式对桥位风速具有一定模拟能力,但目前尚不具备工程化的能力;⑤建构桥位气象安全保障系统可有效提高工程区预报正确率,满足施工对气象安全信息的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1. 研究的意义与目的
• 1.1 大型桥梁结构的发展趋势
• 1.2 气象因素对大跨径桥梁建设的影响
• 2. 国内外研究现状
• 2.1 桥梁抗风研究的进展
• 2.2 桥梁极值风参数研究与采用的现状
• 2.3 桥梁其他风参数研究与采用的现状
• 2.4 桥梁施工气象安全保障系统研究的现状
• 3. 需要研究的主要问题分析
• 4. 本文研究思路和主要内容
• 参考文献
• 第二章 大跨径桥梁设计风速的统计学计算研究
• 1. 设计风速的相关定义及计算存在的问题
• 1.1 设计风速的相关定义
• 1.2 设计风速计算中存在的问题
• 2. 桥位风场的统计学重构研究
• 3. 工程“外包线”的客观计算研究
• 4. 基于广义极值分布的设计基本风速及其置信限的计算
• 4.1 广义极值模型及其参数估计
• 4.2 T年一遇风速及其置信限的计算
• 4.3 实证研究结果
• 5. 小结
• 参考文献
• 第三章 设计风速计算方案的工程化试验
• 1. 工程化试验依托工程及试验方案
• 1.1 工程化试验依托工程
• 1.2 工程化试验方案
• 2. 桥位与气象站风速同步观测试验
• 2.1 同步观测试验站位置
• 2.2 观测试验仪器
• 2.3 同步观测试验时间和内容
• 3. 地面同步观测试验数据的对比分析
• 3.1 平均风速及风向频率
• 3.2 最大风速及极大风速
• 3.3 风速等级频率分布
• 3.4 8级以上大风风速对比
• 3.5 风速的时间变化
• 3.6 相关性分析
• 4. 风随高度变化的研究
• 5. 设计风速的计算分析
• 5.1 基础资料
• 5.2 设计基本风速的计算
• 5.3 设计基准风速的计算
• 5.4 与规范计算结果的比较分析
• 6. 小结
• 参考文献
• 第四章 桥位风速模拟及WRF中尺度模式敏感性试验
• 1. 桥位风速模拟及敏感性试验拟研究的问题
• 2. 模式简介
• 3. 数值模拟试验
• 3.1 资料和模拟试验方案
• 3.2 使用模式自带地形数据的模拟数据
• 3.3 修改模拟静态地形和水陆分布后的模拟试验
• 4. 模式参数化方案对桥位最大风速模拟的敏感性试验
• 4.1 地形和水陆差异敏感性试验
• 4.2 微物理参数化方案敏感性试验
• 4.3 边界层参数化方案敏感性试验
• 4.4 不同格距方案的敏感性试验
• 5. 小结
• 参考文献
• 第五章 桥位风湍流特性的观测试验研究
• 1. 相关的几个湍流特性值定义及采用中存在的问题
• 1.1 几个湍流特性值的定义
• 1.2 国内湍流特性值采用中的问题
• 2. 青岛海湾大桥桥位的湍流特性观测试验
• 2.1 观测试验站及观测仪器
• 2.2 湍流特性观测取样
• 3. 桥位湍流特性观测资料及处理
• 3.1 原始观测样本的预处理
• 3.2 脉动分量的分解
• 3.3 非平稳脉动风速的处理
• 4. 桥位湍流特性参数的计算分析
• 4.1 平均风速和风向
• 4.2 湍流度和阵风因子
• 4.3 摩阻速度
• 4.4 湍流功率谱密度函数
• 4.5 阵风系数
• 5. 小结
• 参考文献
• 第六章 桥梁施工气象安全保障系统的研究及工程化试验
• 1. 桥梁施工气象安全保障系统研究需解决的问题
• 2. 桥梁施工气象安全保障系统的构架
• 3. 工程区气象信息采集传输处理的工程化试验
• 3.1 气象环境监测数据采集试验
• 3.2 监测数据及预警信息传输试验
• 3.3 系统软件的研制
• 4. 工程区气象环境预报预警研究与试验
• 4.1 工程区气象环境预报预警研究
• 4.2 工程区气象环境预报预警试验
• 5. 小结
• 参考文献
• 第七章 结语
• 1. 本研究的主要内容和主要结论
• 2. 本研究的特色和创新点
• 3. 本研究的展望
• 附录: 博士研究生期间的论文发表及研究报告情况
• 致谢