DB43_T+2144-2021桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术规范.docx

ICS 07.030CCS A 4743湖南省地方标准DB43/T 21442021桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术规范Technical specification for climate feasibility demonstrationof wind resistant design of bridge construction2021- 08 - 29 发布2021- 10 - 29 实施湖南省市场监督管理局发 布3 术语和定义 14 一般规定 35 气象观测塔建设及观测36 参证气象站选取及资料收集47 桥位区气候特征与气象灾害分析58 设计风速推算 59 桥位区近地层湍流特征值及风攻角计算610 桥位区风参数数值模拟 711 报告编制7附录 A（规范性） 桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术流程图附录 B（规范性） t 检验方法附录 C（资料性） 比值法 附录 D（资料性） 概率分布函数 附录 E（资料性） 地表粗糙度系数分类 附录 F（资料性） 三维超声风速仪有效数据判别附录 G（资料性） 脉动风速的计算方法 附录 H（资料性） 湍流功率谱密度的计算方法 参考文献8910111415161718目次前言1 范围 12 规范性引用文件1前言本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由湖南省气象局提出。本文件由湖南省气象标准化技术委员会归口。本文件起草单位: 湖南省气候中心、湖南省交通规划勘察设计院有限公司、湖南省气象科学研究所。本文件主要起草人：曾向红、吴浩、李瑜、蒋元华、杜东升、段丽洁、吴贤云、汤亦豪、郭凌曜、崔剑锋。桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术规范1 范围本文件规定了大型桥梁建设抗风设计气候可行性论证的工作流程、气象观测塔建设、资料收集及处理、数值模拟、设计参数推算及报告编制等内容。本文件适用于大型桥梁建设抗风设计气候可行性论证。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 352212017 地面气象观测规范 总则GB 500092012 建筑结构荷载规范GB 500572010 建筑物防雷设计规范JTG/T 3360012018 公路桥梁抗风设计规范QX/T 118 地面气象观测资料质量控制QX/T 4232018QX/T 4262018QX/T 4362018QX/T 4382018QX/T 4492018QX/T 4692018气候可行性论证规范气候可行性论证规范气候可行性论证规范报告编制资料收集抗风参数计算桥梁设计风速计算规范气候可行性论证规范 现场观测气候可行性论证规范 总则3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1风速时距 wind speed interval计算平均风速所使用的时间间隔。来源：QX/T 4382018，2.13.2地面粗糙度 surface roughness反映地表起伏或地物、植被等高矮、稀疏的程度。来源：QX/T 4382018，2.23.3重现期 return periodGB 501352019 高耸结构设计规范某一事件重复出现的平均间隔时间。来源：QX/T 4382018，2.43.4参证气象站 reference meteorological station气象分析计算所参照或引用的桥梁所在地区或者邻近地区具有长年代气象数据的国家气象观测站。注 1：长年代一般不少于 30 年。注 2：国家气象观测站包括 GB/T 4852019气象观测站分类及命名规则中定义的气候观象台、基准气候站和基本气象站。来源：QX/T 4232018，3.1，有修改3.5基本风速 basic wind speed参证气象站 10m 高度、重现期 100 年、10 min 平均的年最大风速。来源：JTG/T 3360012018,2.1.1，有修改3.6桥梁设计基本风速 basic wind speed at bridge site桥址地面或水面以上 10 m 高度、重现期 100 年、10 min 平均的年最大风速。来源：JTG/T 3360012018，2.1.2，有修改3.7设计基准风速 reference wind speed桥梁或构件基准高度、重现期 100 年、10 min 平均的年最大风速。来源：JTG/T 3360012018，2.1.3，有修改3.8桥梁设计基准风速 bridge reference wind speed特指桥梁主梁基准高度处的设计基准风速。来源：JTG/T 3360012018，2.1.43.9风攻角 wind attack angle风的来流方向与水平面产生的夹角。来源：JTG/T 3360012018，2.1.5，有修改3.10风切变指数 wind shear exponent用于描述风速随高度变化的幂函数中的指数。来源：QX/T 4362018，3.63.11风速标准差 standard deviation of wind speed一组风速值与其平均值的离差平方和的算术平均数的平方根。注：它反映一组风速值的离散程度。来源：QX/T 4362018，3.73.12湍流强度 turbulence intensity风速标准差与平均风速的比率。注：用同一组测量数据和规定的周期进行计算。来源：QX/T 4362018，3.83.13阵风风速 gust speed1 s3 s 时距的瞬时风速值。来源：QX/T 4362018，3.93.14阵风系数 gust factor由平均风速推算阵风风速的比例系数，通常采用 3 s 最大阵风风速与 10 min 平均风速的比值。来源：QX/T 4362018，3.104 一般规定4.1 桥位区设计基准风速的推算主要是（水平方向）风速放大系数和（垂直方向）风切变指数的计算或确定；数值模拟结果主要用于确定桥位区无气象观测或观测资料代表性不好时放大系数和风切变指数的确定。4.2 主要技术内容包括：桥址处气候特征分析，重点是风的气候特征；主要气象灾害的调查，重点是大风灾害；设计基准风速的推算；大气湍流参数计算分析等。4.3 桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术流程见附录A。5 气象观测塔建设及观测5.1 观测点选址5.1.1 观测点宜按下列原则选址：1） 选择在桥位附近四周开阔，不受遮挡，能代表桥位区域大风特征，且不受桥梁建设工程施工与运行影响的位置。2） 人员较容易到达、无线传输信号较好且不影响施工的位置。5.1.2 按 QX/T 4492018 要求进行塔址勘察。5.1.3 观测塔宜建在大桥的跨中附近，根据桥址处的地形特征对备选观测塔位置的气候特征进行评估后，筛选确定观测塔最终位置。如果跨越峡谷、地形复杂，宜在大桥两岸分别建立观测塔。5.2 观测设计技术要求5.2.1 观测塔高度以 70-150 m 为宜。观测层次 5-6 层，其中应包括 10 m 层和桥面高度附近层。三维超声风速仪宜安装在与桥面等高的位置处。5.2.2 观测内容包括：逐时 10 min 平均风速、风向；逐时瞬时最大风速、风向；逐日 10 min 平均最大风速、风向；极大风速、风向；温度；湿度；气压；降水；三维超声风速仪观测三维瞬时风速、风向等。5.2.3 不宜少于两年的现场观测。观测期间如果没有出现当地强风事件，应延长观测时间。5.2.4 观测塔的技术要求包括：1） 观测塔结构宜为桅杆式或塔架式，塔体结构强度按照 GB 501352019 设计。2） 根据 GB 500572010 的要求安装专用避雷系统，观测塔接电电阻应小于 4。3） 观测塔应悬挂明显的安全警示标志，观测塔位于航线下方时，根据航空部门的要求决定是否安装航空信号灯。4） 观测塔仪器应按 QX/T 4492018 的要求进行风速传感器、风向传感器、温度传感器、湿度传感器和三维超声测风仪安装。5） 选择取得国家或国际相应行业质量认证和计量认证的观测仪器，仪器性能基本参数应考虑测量范围、分辨力、采样频率、最大允许误差、灵敏度等。6） 观测仪器布设要求必须配置稳定的供电系统，避免在盛行风下受观测塔或桥梁架构、施工机械等其他物体的干扰。5.3 竣工验收5.3.1 现场测试观测设备运行是否正常，检查建设设施是否与设计文件相符、数据记录与存储是否正确、备品备件是否齐全、后备电源是否满足设计要求等。5.3.2 对建设过程的设计文件、过程记录文件、设备检定和校准报告等进行审查。5.4 观测数据采集5.4.1 采取无线实时传输和现场采集两种方式。如果通讯传输条件差，可到现场读取数据，且时间不超过一个月。5.4.2 三维超声测风数据应定期到现场读取，并对运行情况进行实时监控。5.4.3 强风事件(10.8 m/s)出现后，应及时获取三维超声风数据。5.4.4 观测数据应进行初步质量检验和预处理后及时入库。5.5 数据质量控制5.5.2 对观测记录进行完整性审查，给出数据的完整性描述。有效数据完整率不应小于 95%。有效数据完整率按式（1）计算：有效数据完整率 = 应测数目- 缺测数目- 无效数据数目100% （1）应测数目式中：应测数目：测量期间小时数；缺测数目：没有记录到的小时平均值数目；无效数据数目：确认为不合理的小时平均值数目。5.6 观测运行管理5.6.1 定期检查和维护观测仪器及观测塔，并做好详细记录。5.6.2 制定观测运行监控值班制度，安排专业技术人员定期监控设备运行状态，检查观测数据接收情况并及时对数据进行审核、处理。6 参证气象站选取及资料收集6.1 参证气象站选取6.1.1 参证气象站应有 30 年以上的风观测资料。6.1.2 参证气象站与桥址距离较近，地形、地貎较为相似。6.1.3 参证气象站测风环境宜保持长年不变或有完整的迁站对比测风记录。6.1.4 参证气象站与观测塔同期强风风速样本的相关显著性应通过 0.05 信度检验。5.5.1 各气象要素的极值范围、内部一致性、时间一致性应按照据 GB/T 352212017 进行合理性审核。6.2 资料收集6.2.1 参证气象站的基本信息包括气象站经度、纬度、海拔高度、建站时间、迁站时间、测风高度变化、测风仪器型号、观测场地环境变化、距离桥址最短距离和相对位置。6.2.2 参证气象站建站以来逐年及月平均风速、逐年及月 10 min 平均最大风速、风向、逐年极大风速及风向、逐年及月大风日数、逐年及月各风向频率及各风向平均风速。6.2.3 参证气象站年极端最高温度、年极端最低温度、年雷暴日、年最大降水量、年最小降水量、年平均降水量、月最大降水量、日最大降水量。6.3 气象灾害收集、调查6.3.1 收集桥位区附近雷雨大风、寒潮大风、偏南大风、飑线大风、龙卷风、超低空急流等典型大风危害情况，包括风速、风向及陆面建筑物、输电杆（塔）和船只等毁坏情况。6.3.2 对极端大风危害情况进行灾害调查。7 桥位区气候特征与气象灾害分析7.1 桥位区主要气候特征分析7.1.1 利用观测塔数据分析桥位区平均气温、极端最高气温、极端最低气温、平均气压、极端最高气压、极端最低气压、降水量、风速、风向等气象特征。7.1.3 分析造成桥位大风的主要天气系统。7.2 风的统计特征7.2.1 统计风的累年及月平均风速，累年风向频率，绘制风向频率玫瑰图。7.2.2 统计累年逐月最大风速、极大风速及出现的风向，逐年最大风速、极大风速及出现风向。7.2.3 统计累年及月大风日数。7.2.4 统计累年各风向的平均风速及最大风速，绘制风速玫瑰图。7.3 桥位区大风及相关气象灾害分析分析桥位区雷雨大风、寒潮大风、偏南大风、飑线大风、龙卷风、超低空急流等典型大风灾害天气7.3.2 的发生频率、危害程度。8 设计风速推算8.1 基本风速推算方法8.1.1 建立参证气象站年最大风速序列1） 对参证气象站的历年最大风速进行高度和时距订正。订正后的序列采用 T 检验法进行均一性检验，检验方法见附录B；2） 采取比值法对测风环境变化引起的年最大风速序列的不均一性进行订正，订正方法见附录C；3） 构建离地 10 m 高 10 min 平均年最大风速序列。7.1.2 利用参证气象站资料按 QX/T 4692018 分析桥位区主要气候特征。8.1.2 基本风速推算基于参证气象站年最大风速序列，宜采用极值分析方法，推算出 10 年、30 年、50 年、100 年不同重现期 10 min 平均最大风速，基本风速的推算应确保有 99%的保证率。推算方法见附录 D。8.2 桥梁设计基本风速推算方法8.2.1 风速订正系数确定采用观测塔与参证气象站不少于一年同步 10 分钟平均日最大风速资料，用比值法计算风速订正系数。订正方法见附录 C。8.2.2 桥梁设计基本风速推算根据参证气象站资料计算得到的不同重现期最大风速及桥位风速订正系数，计算得到桥位处的设计风速。8.3 设计基准风速推算方法8.3.1 风切变指数的确定根据桥位风梯度实测资料，选取观测塔各层逐日的日最大风速大于等于某阈值的样本，采用最小二乘法，利用风随高度变化的指数公式，得到风切变指数计算值，并与地表粗糙度系数分类表进行比较， 综合分析确定风切变指数（见附录 E）。8.3.2 设计基准风速的推算根据桥位区设计风速，按照指数公式计算得到桥位处设计基准高度的设计基准风速。设计基准高度应由委托方确定。8.3.3 桥梁设计基准风速推算按照 JTG/T 3360012018 公路桥梁抗风设计规范计算。9 桥位区近地层湍流特征值及风攻角计算9.1 三维超声测风数据处理根据三维超声风速仪的数据判别码，剔除无效数据。再进行数据中的野点判别。还应进行脉动风样本数据提取。三维超声测风数据质量控制和脉动风速的计算见附录 F 和附录 G。9.2 阵风系数计算根据桥位气象观测塔实测资料，选取大风样本资料，计算极大风速与 10 min 平均最大风速的比值， 得到阵风系数。G = VmaxV10min（2）式中Vmax 为瞬时最大风速， 这里时距取为 3 秒，V10min 为 10 min 最大平均风速。9.3 湍流强度计算选取代表当地不同天气系统影响下的几次大风天气过程，计算某时距的脉动风速标准方差与平均风速的比值，得到湍流强度。计算公式如下：I = s（3）V10minI 为湍流强度，无量纲数； s 为 10 min 风速标准差，单位为 m/s；V10min 为 10 min 平均风速，单位为 m/s。9.4 湍流功率谱密度计算按照附录 H 计算。9.5 风攻角计算风攻角按下式计算：u(t) + v(t)22U =（4）W = w(t)（5）WAA = arc tg W（6）式中、为某一时距（明确时距）垂直方向和水平方向的平均风速。10 桥位区风参数数值模拟10.1 模拟方案设计根据桥位区气象观测塔以及参证气象站观测到的大风过程，确定数值模拟的起始时间。宜根据模拟区域地形以及气候特征，设计大风过程数值模拟方案。模拟方案设计包括网格划分、合适的初边值条件、参数化方案等，应同化或融合当地气象观测资料。10.2 结果订正如果模拟结果与实际观测存在明显差异，应调整模拟方案或采用比值法、差值法对模拟结果进行订正。订正后的结果仍需与观测结果进行对比，当两者量值接近，时空变化规律一致，且不影响模拟结果的时空分布连续性时，模拟结果可用于桥梁抗风设计气候可行性论证工作中。11 报告编制按照 QX/T 4232018 进行编制。U桥梁设计基本风速的推算方法设计基准风速的推算方法 桥位区近地层湍流特征值及风攻角计算 阵风系湍流强数计算度计算湍流功率谱密度计算风攻角计算桥位区风参数数值模拟报告编制附 录 A（规范性）桥梁建设抗风设计气候可行性论证技术流程图基本风速的推算方法设计风速推算桥位区气候特征与气象灾害分析参证气象站选取及资料收集气象观测塔建设及观测附 录 B（规范性） t 检验方法检验假设： X1 = X 2按式（B.1）计算统计量：X1 - X 2(n1 -1）S 2 + (n -1）S 2122n1n2 (n1 + n2 - 2)n1 + n2t =（B.1）式中：t：t 检验值，无量纲数；x1：前一段随机要素的平均值，单位为该随机要素的单位； x2：后一段随机要素的平均值，单位为该随机要素的单位； n1：前一段随机要素的样本数，无量纲数；n2：后一段随机要素的样本数，无量纲数；S1：前一段随机要素的标准差，单位为该随机要素的单位； S2：后一段随机要素的标准差，单位为该随机要素的单位；|t|反映在给定信度条件下两段随机要素的平均值差异的显著程度，当|t| ta | 时拒绝原假设。附 录 C（资料性） 比值法相邻两测站风速 y 与 x 之间通常构成以下关系：y = k(x) （C.1）x式中：y：测站 1 风速，单位为米每秒（m/s）；x：测站 2 风速，单位为米每秒（m/s）；k：比值系数，无量纲数。由于工程抗风设计关注大风，当 x 较大时，k 趋于常数。因此在计算风速订正系数时，在满足统计样本数量的前提下，选取大风样本（10 分钟平均日最大风速某阈值，阈值的选取可根据当地大风情况及样本数来确定）进行相关分析，相关显著性检验信度0.05，计算大风情况下桥位处与参证站风速的比值，即为风速订正系数，用于桥位处设计风速的推算。附 录 D（资料性） 概率分布函数目前气象数据处理中常用的极值分析方法有极值型（Gumbel）分布，威布尔分布（Weibull）分布，皮尔逊型（P-）分布等。D.1 极值型（Gumbel）分布函数分布函数：F(x) = exp(-exp(-a(x - u)（ a 0，- u ）（D.1）公式中 为分布的尺度函数，u 为分布的位置参数。重现期为 R （概率为 1/ R ）时：x = u - 1 lnln( R)（D.2）它的参数估计有三种方法：矩法一阶矩（数学期望）：Ra其中： g 0.57722二阶矩（方差）：s 2 = p 2（D.4）6a2由此得到：a = 1.28255s（D.5）u = E(x) - 0.57722a（D.6）耿贝尔法耿贝尔法是一种直接与经验频率相结合的参数估计方法。假定数据有序序列： x1 x2 . xn则经验分布函数为：F *(x ) =iii=1,2,.,n （D.7）n + 1取如下序列：yi = -ln(-ln(F *(xi ) i=1,2,.,n （D.8）可得：s (x)u = E(x) - E( y) （D.10）aa = s ( y) （D.9）E(x) =aR -1g + u （D.3）极大似然法在统计学理论上，极大似然估计是一种较优的参数估计方法。极值型分布函数的概率密度函数为：f (x) = F(x) = a exp-a(x - u) -exp(-a(x - u) （D.11）当观测资料 x1, x2, ., xn 给定时，作极大似然函数并取得对数，得：nnlnL = n ln a - a(xi - u) - exp(-a(xi - u)（D.12）i =1i=1将 a 、u 看作变量，将上式分别对a 、u 求导并令其为 0，得：nn exp(-au) = exp(-axi ) （D.13）i =1参数a 、u 可用迭代法求解。n(x - 1 )exp(-au) = n x exp(-ax ) （D.14） iiai =1D.2 韦布尔（Weibull）分布函数分布函数：其超过保证率函数为：F(x)= 1-exp(xk-)cx0（D.15）P(x) = exp(-x ) （D.16）kc超过保证率 P 对应的重现期值为：x = exp 1 ln-ln(P)+ ln c) （D.17）p(k其形状参数k 及尺度参数c 的估计多采用矩法：k = ( s )-1.086 （D.18）vc =vG(1 + 1/ k)（D.19）D.3 皮尔逊（P-）型曲线皮尔逊型曲线又称 P-型曲线，是一种单峰型正偏曲线，整体不对称。概率密度函数皮尔逊型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰、正偏曲线，数学上常称伽玛分布，其概率密度函数为：ba(a )式中： G（a）为a 的伽玛函数；a 、b 、a0 分别为皮尔逊型分布的形状尺度和位置未知参数，a 0， b 0 。显然，三个参数确定以后，该密度函数随之可确定。可以推论，这三个参数与总体三个参数 x 、Cv 、Cs 具有如下关系：4f (x) = G(x - a0 )e0 （D.20）a -1 -b ( x-a )a =（D.21）Cs 2b =2xCvCs（D.22）a = x(1 - 2Cv )0C（D.23）s1xn(x - x) / n2i =1iC = s =vx（D.24）(Ki -1)2 / ni =1nn (x - x)3n (K -1)3 iivCs = i=1 = i=1 （D.25）其中：n s 3n C 3Cv ：变差系数，比较两个不同均值系列的离散程度时，采用均方差与均值之比值，用于衡量系列相对离散程度。Cv 越大，随机变量 x 的分布越分散，概率分布曲线的左侧抬高，右侧降低；反之，左侧下降，右侧上抬。Cs ：偏态系数，反映密度曲线的对称特征，即衡量系列在均值的两侧分布对称或不对称（偏态） 程度的系数。对于正偏， Cs 0（P-曲线）。当其他参数不变时， Cs 值越大，则概率曲线的凹度越大， 即两端都在正态直线以上，中间部分向下。D.4 置信区间计算p ( x1 x x2 ) = 1-a （D.26）则称随机区间( x1, x2 ) ，为 x 的100(1- a )% 的置信区间，真值 x 在此区间的可能性为100(1- a )% 。根据渐近理论，当样本容量 n ， xT 的分布近似服从正态分布，则重现期 T 的风速计算在置信水平100(1- a )% 下的置信区间为：xL = xT u1-a /2sT式中 xL 为置信区间， xT 为某重现期风速估算值， a 为显著性水平， u1-a / 2 为标准正态分布在1- a / 2 的分位数， sT 为 xT 的均方差。当a =0.01 时，基本风速的推算确保有 99%的保证率区间为 xL 。假设母体分布含有未知参数 x，若由子样确定的两个统计量 x1 和 x2 ，对于给定值a (0 a 1) ，满足：附 录 E（资料性）地表粗糙度系数分类E.1 地表粗糙度系数分类表 E.1 地表粗糙度系数分类地表类别地表状况地表粗糙度系数A海面、海岸、开阔水面、沙漠0.12B农地、田园、平坦开阔地；树木及地层建筑物稀少地区0.15C树木及地层建筑物密集地区；中、高层建筑物稀少地区；平缓的丘陵地0.22D中、高层建筑物密集地区；起伏较大的丘陵山地0.30E.2 风切变指数计算利用风随高度变化的指数公式，根据桥位风梯度实测资料，选取观测塔各层逐日的日大风样本资料在近地层内，风速随高度变化的指数公式为：u = u ( z )a （E.1）1 z1式中： u 为 z 高度处的风速（m/s）；u1 为 z1 高度处的风速（m/s）； 为风速随高度变化幂指数，其值的大小即表明了风速垂直切变的强度。对式（D.1）作变换并等号两边取对数，即得：ln( u ) = a ln( z ) （E.2）u1z1令 y = ln( u ), x = ln( z ) （E.3）u1z1则得到线性方程：y = ax （E.4）将实测资料序列代入（D.3）式，得到序列； y1, y2,yi yn , x1, x2,xi xn 用最小二乘法拟合回归系数，得到指数 的计算公式：a = x y / x 2 （E.5）i ii（即日最大风速某阈值的样本），采用最小二乘法，计算可得到大风情况的风切变指数 。并与表 D.1中的地表分类进行比较，综合分析后取值。附 录 F（资料性）三维超声风速仪有效数据判别三维超声风速仪是利用超声波在大气中的传播速度随风速而变化的原理制成的测风仪器，能测量出x、y、z 三个方向上的风速分量。根据三维超声风速仪输出的质量控制信息文本来判识是否有效观测数据。分别用不同数据据质量控制信息标识观测数据“可靠”、“存疑或者不可靠”、“缺测”、“无数据”。选取质量控制信息文本中标识为“可靠”的观测数据，利用方差检验方法对观测时段的超声风原始数据进行野点值检验。其判断依据为：xi - x n s x （F.1）其中：xi 是观测值；x 是 30 min 的均值；x 是样本标准差；n 取值为 4。附 录 G（资料性）脉动风速的计算方法将仪器坐标旋转角，使仪器所测 u 与主风向一致。所得坐标 x， y，z 轴分别代表主导风 u(t)、侧风v(t)和垂直风向 w(t)（与仪器坐标相同），则 u(t)、v(t)在 x，y 轴的投影 即为纵向（主风向）脉动风速、为横向（侧风向）脉动风速，由下式计算：u(t) = u(t)