一種跨海橋梁風(fēng)-浪-流耦合場觀測和模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于觀測跨海橋梁橋位附近風(fēng)-浪-流禪 合場中的風(fēng)、波浪、海流和潮位，獲取橋梁各位置的時間同步、連續(xù)和空間相關(guān)的風(fēng)、波浪、 海流和潮位特征參數(shù)的觀測和模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著橋梁建設(shè)從內(nèi)陸走向外海，橋梁建設(shè)面臨著深水、強風(fēng)、急流、巨浪等惡劣海 洋環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)。風(fēng)、波浪、海流和潮位等現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)是對跨海大橋環(huán)境荷載進行評估 的第一手資料，是控制跨海橋梁建設(shè)和運營安全的關(guān)鍵因素。
[0003] 對于跨海橋梁而言，作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)、波浪、海流之間具有強烈的禪合性。海洋 里的波浪主要是風(fēng)浪和涌浪，其中風(fēng)浪是在風(fēng)力的直接作用下形成的波浪；當風(fēng)停止，或當 波浪離開風(fēng)區(qū)時，運時的波浪便稱為涌浪。由于波浪的運動導(dǎo)致海面上下起伏并隨時間變 化，從而改變了氣液界面的粗糖度，因此波浪運動反過來將影響風(fēng)運動。此外，浪和流之間 也具有禪合性，當波浪和海流相遇時，它們間的相互作用將影響各自的傳播特性，即波浪要 素將發(fā)生變形，其傳播將發(fā)生折射，同時水流的流速分布也將發(fā)生變化。因此，在跨海大橋 環(huán)境荷載研究中，需要獲取作用在橋梁上各關(guān)鍵點的多點空間相關(guān)、時間同步和連續(xù)的風(fēng) 荷載、波浪荷載和海流荷載。
[0004] 目前，氣象部口對平均風(fēng)觀測開展的時間比較早，觀測站位分布廣，觀測技術(shù)也比 較成熟。一般跨越江河海灣的橋梁工程，橋梁兩岸的間距較小，通過開展橋位兩岸短期的現(xiàn) 場風(fēng)觀測，并建立現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)與橋位附近氣象觀測站數(shù)據(jù)的相關(guān)性，推算得到橋梁的設(shè) 計風(fēng)參數(shù)。但是，近海海域的波浪和海流觀測開展時間比較晚，觀測站位很少，觀測技術(shù)比 較滯后。我國早期波浪觀測大多基于目測，觀測數(shù)據(jù)的精度和代表性無法滿足跨海橋梁工 程應(yīng)用的要求。因此，跨越外海寬闊海域的跨海橋梁大橋附近的風(fēng)、波浪、海流和潮位等現(xiàn) 場觀測數(shù)據(jù)非常有限，缺乏臺風(fēng)過程中橋位處的風(fēng)、波浪、海流和潮位的空間相關(guān)、時間同 步和連續(xù)觀測，無法分析獲取作用在橋梁上各關(guān)鍵位置的空間相關(guān)、時間同步和連續(xù)的風(fēng) 荷載、波浪荷載和海流荷載。
[000引因此，迫切需要研發(fā)風(fēng)-浪-流禪合場觀測和模擬系統(tǒng)，為跨海橋梁提供多點空間 相關(guān)、時間同步和連續(xù)的風(fēng)-浪-流禪合場特征參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問題
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種跨海橋梁 風(fēng)-浪-流禪合場觀測和模擬系統(tǒng)，W能夠分析得到跨海橋梁各關(guān)鍵點的空間相關(guān)、時間同 步和連續(xù)的風(fēng)-浪-流禪合場特征參數(shù)。 陽00引（二）技術(shù)方案
[0009] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種跨海橋梁風(fēng)-浪-流禪合場觀測和模擬系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)觀測系統(tǒng)1、波流觀測系統(tǒng)2、潮位觀測系統(tǒng)3、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4和 風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5,其中：風(fēng)觀測系統(tǒng)1包括N個用W進行多站同步沿高度 的梯度風(fēng)觀測的風(fēng)觀測站6,運N個風(fēng)觀測站6設(shè)于橋位兩岸陸地開闊地帶9,N為大于或 等于2的自然數(shù)；波流觀測系統(tǒng)2包括M個用W進行水深大于50m深海海域的多站同步的 波面和分層流速觀測的波流觀測站10,運M個波流觀測站10設(shè)于橋位附近水域8,坐落在 橋位附近海底11，M為大于或等于2的自然數(shù)；潮位觀測系統(tǒng)3包括K個用W進行多站同 步潮位觀測的潮位觀測站12,運K個潮位觀測站12設(shè)于橋位附近臨岸水域，K為大于或等 于2的自然數(shù)；數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4,通過有線或無線方式連接于風(fēng)觀測系統(tǒng)1、波流觀測系 統(tǒng)2和潮位觀測系統(tǒng)3,實時或不定期接收并保存風(fēng)觀測系統(tǒng)1、波流觀測系統(tǒng)2和潮位觀 測系統(tǒng)3對風(fēng)、波浪、海流和潮位的觀測數(shù)據(jù)；風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5,連接于數(shù) 據(jù)采集存儲系統(tǒng)4,利用數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4采集的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)得到橋位7區(qū)域的=維風(fēng) 場，并利用數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4采集的波浪、海流、潮位觀測數(shù)據(jù)得到橋梁風(fēng)荷載作用關(guān)鍵 點位置14、波浪和水流荷載作用關(guān)鍵點位置15的空間相關(guān)、時間同步的風(fēng)-浪-流禪合場 特征參數(shù)。
[0010] 上述方案中，所述風(fēng)觀測站6包括測風(fēng)塔16、風(fēng)速傳感器17和風(fēng)速采集設(shè)備18， 其中，測風(fēng)塔16安裝在兩岸陸地開闊地帶9上；沿測風(fēng)塔16不同高度位置布置多層風(fēng)速傳 感器17 ;在測風(fēng)塔16的下部安裝風(fēng)速采集設(shè)備18。所述風(fēng)速傳感器17采用超聲風(fēng)速傳感 器，采樣頻率n> 4Hz;風(fēng)速傳感器17進行連續(xù)的梯度風(fēng)觀測，獲得的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)保存在 風(fēng)速采集設(shè)備18中，同時風(fēng)速采集設(shè)備18將風(fēng)觀測數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4。
[0011] 上述方案中，所述波流觀測站10包括觀測底座19、波流觀測儀20、浮子21、釋放 器22、重力塊23和纜繩24,其中：波流觀測儀20固定在放置于橋位附近海底11的觀測底 座19上，觀測底座19與浮子21通過纜繩24相連；浮子21、釋放器22、重力塊23自上而下 依次通過纜繩24相連，浮子21位于橋位附近海面25下方，重力塊23放置在橋位附近海底 11。所述波流觀測儀20同時進行波浪和海流的連續(xù)觀測，采樣頻率f2 >IHz;獲得連續(xù)的 波浪和海流觀測數(shù)據(jù)，保存在波流觀測儀20的存儲卡中，觀測一段時間后打拱波流觀測儀 20將數(shù)據(jù)取出并傳送給數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4。
[0012] 上述方案中，所述風(fēng)觀測系統(tǒng)1、波流觀測系統(tǒng)2和潮位觀測系統(tǒng)3用W實現(xiàn)臺風(fēng) 期和非臺風(fēng)期風(fēng)、波浪、海流和潮位的多點空間相關(guān)、時間同步和連續(xù)觀測，獲得風(fēng)場參數(shù)、 波浪場參數(shù)、流場參數(shù)和潮位的觀測數(shù)據(jù)，并實時或不定期傳送并保存在數(shù)據(jù)采集存儲系 統(tǒng)4,其中風(fēng)場參數(shù)至少包括風(fēng)速和風(fēng)向，波浪場參數(shù)至少包括波高、波周期和波向，流場參 數(shù)至少包括分層流速和流向。
[0013] 上述方案中，所述風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5包括考慮地形影響的=維風(fēng) 場數(shù)值模擬模塊、SWAN波浪場數(shù)值模擬模塊和風(fēng)暴潮數(shù)值模擬模塊，其中：風(fēng)-浪-流禪 合場數(shù)值分析系統(tǒng)5首先采用考慮橋位附近海峽兩岸地形13影響的=維風(fēng)場數(shù)值模擬模 塊，建立包含橋位附近海峽兩岸地形13的=維風(fēng)場模型，利用數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4采集的 風(fēng)觀測數(shù)據(jù)對=維風(fēng)場模型進行數(shù)值模擬、驗證和校準后，分析模擬得到橋位7區(qū)域的= 維風(fēng)場；然后，風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5采用SWAN波浪場數(shù)值模擬模塊和風(fēng)暴 潮數(shù)值模擬模塊，建立橋位7區(qū)域的風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值模擬模型，利用分析模擬得到 的橋位7區(qū)域=維風(fēng)場和利用數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)4采集的波浪、海流、潮位觀測數(shù)據(jù)，對 風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值模擬模型進行數(shù)值模擬、驗證和校準后，最后結(jié)合歷史觀測數(shù)據(jù)，得 到橋梁風(fēng)荷載作用關(guān)鍵點位置14、波浪和水流荷載作用關(guān)鍵點位置15的空間相關(guān)、時間同 步的風(fēng)-浪-流禪合場特征參數(shù)。
[0014] 上述方案中，所述風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5在得到橋梁風(fēng)荷載作用關(guān)鍵 點位置14、波浪和水流荷載作用關(guān)鍵點位置15的空間相關(guān)、時間同步的風(fēng)-浪-流禪合場 特征參數(shù)的過程中，風(fēng)-浪-流禪合場中風(fēng)速、波高和流速極值相關(guān)性的聯(lián)合概率分布選用 M3Copula函數(shù)，其函數(shù)表達式為：
[0016] 式中：Ui、U2和U3分別為風(fēng)速、波高和流速的邊緣分布函數(shù)，通過極值I型分布、威 布爾分布或?qū)?shù)正態(tài)分布擇優(yōu)擬合得到，目1和02為M3Copula函數(shù)的參數(shù)，通過極大似然 法、適線法或矩法參數(shù)估計得到。
[0017] 上述方案中，所述風(fēng)-浪-流禪合場數(shù)值分析系統(tǒng)5在得到橋梁風(fēng)荷載作用關(guān)鍵 點位置14、波浪和水流荷載作用關(guān)鍵點位置15的空間相關(guān)、時間同步的風(fēng)-浪-流禪合場 特征參數(shù)的過程中，風(fēng)-浪-流禪合場中風(fēng)速、波高和流速極值選用復(fù)合極值模型，其概率 分布函數(shù)為：
[0019] 式中馬、X2和X3分別表示風(fēng)速、波高和流速，U1、U2和U3為對應(yīng)的邊緣分布函數(shù)； c(Ui，U2，U3)為風(fēng)速、波高和周期聯(lián)合概率分布函數(shù)C(Ui，U2,叫）的密度函數(shù)；入為Poisson 分布參數(shù)。
[0020] (S)有益效果
[0021] 從上述技術(shù)方案可W看出，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明提供的跨海橋梁風(fēng)-浪-流禪合場觀測和模擬系統(tǒng)，風(fēng)觀測系統(tǒng)、波流觀 測系統(tǒng)和潮位觀測系統(tǒng)分別由多個風(fēng)觀測站、波流觀測站和潮位觀測站組成，并且上述= 個系統(tǒng)進行時