一种跨海桥梁风-浪-流耦合场观测和模拟系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及桥梁工程技术领域，是一种用于观测跨海桥梁桥位附近风-浪-流禪 合场中的风、波浪、海流和潮位，获取桥梁各位置的时间同步、连续和空间相关的风、波浪、 海流和潮位特征参数的观测和模拟系统。
【背景技术】
[0002] 随着桥梁建设从内陆走向外海，桥梁建设面临着深水、强风、急流、巨浪等恶劣海 洋环境的严峻挑战。风、波浪、海流和潮位等现场观测数据是对跨海大桥环境荷载进行评估 的第一手资料，是控制跨海桥梁建设和运营安全的关键因素。
[0003] 对于跨海桥梁而言，作用在结构上的风、波浪、海流之间具有强烈的禪合性。海洋 里的波浪主要是风浪和涌浪，其中风浪是在风力的直接作用下形成的波浪；当风停止，或当 波浪离开风区时，运时的波浪便称为涌浪。由于波浪的运动导致海面上下起伏并随时间变 化，从而改变了气液界面的粗糖度，因此波浪运动反过来将影响风运动。此外，浪和流之间 也具有禪合性，当波浪和海流相遇时，它们间的相互作用将影响各自的传播特性，即波浪要 素将发生变形，其传播将发生折射，同时水流的流速分布也将发生变化。因此，在跨海大桥 环境荷载研究中，需要获取作用在桥梁上各关键点的多点空间相关、时间同步和连续的风 荷载、波浪荷载和海流荷载。
[0004] 目前，气象部口对平均风观测开展的时间比较早，观测站位分布广，观测技术也比 较成熟。一般跨越江河海湾的桥梁工程，桥梁两岸的间距较小，通过开展桥位两岸短期的现 场风观测，并建立现场观测数据与桥位附近气象观测站数据的相关性，推算得到桥梁的设 计风参数。但是，近海海域的波浪和海流观测开展时间比较晚，观测站位很少，观测技术比 较滞后。我国早期波浪观测大多基于目测，观测数据的精度和代表性无法满足跨海桥梁工 程应用的要求。因此，跨越外海宽阔海域的跨海桥梁大桥附近的风、波浪、海流和潮位等现 场观测数据非常有限，缺乏台风过程中桥位处的风、波浪、海流和潮位的空间相关、时间同 步和连续观测，无法分析获取作用在桥梁上各关键位置的空间相关、时间同步和连续的风 荷载、波浪荷载和海流荷载。
[000引因此，迫切需要研发风-浪-流禪合场观测和模拟系统，为跨海桥梁提供多点空间 相关、时间同步和连续的风-浪-流禪合场特征参数。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 有鉴于此，本发明的主要目的是为解决现有技术的不足，提供一种跨海桥梁 风-浪-流禪合场观测和模拟系统，W能够分析得到跨海桥梁各关键点的空间相关、时间同 步和连续的风-浪-流禪合场特征参数。 阳00引（二）技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供了一种跨海桥梁风-浪-流禪合场观测和模拟系 统，该系统包括风观测系统1、波流观测系统2、潮位观测系统3、数据采集存储系统4和 风-浪-流禪合场数值分析系统5,其中：风观测系统1包括N个用W进行多站同步沿高度 的梯度风观测的风观测站6,运N个风观测站6设于桥位两岸陆地开阔地带9,N为大于或 等于2的自然数；波流观测系统2包括M个用W进行水深大于50m深海海域的多站同步的 波面和分层流速观测的波流观测站10,运M个波流观测站10设于桥位附近水域8,坐落在 桥位附近海底11，M为大于或等于2的自然数；潮位观测系统3包括K个用W进行多站同 步潮位观测的潮位观测站12,运K个潮位观测站12设于桥位附近临岸水域，K为大于或等 于2的自然数；数据采集存储系统4,通过有线或无线方式连接于风观测系统1、波流观测系 统2和潮位观测系统3,实时或不定期接收并保存风观测系统1、波流观测系统2和潮位观 测系统3对风、波浪、海流和潮位的观测数据；风-浪-流禪合场数值分析系统5,连接于数 据采集存储系统4,利用数据采集存储系统4采集的风观测数据得到桥位7区域的=维风 场，并利用数据采集存储系统4采集的波浪、海流、潮位观测数据得到桥梁风荷载作用关键 点位置14、波浪和水流荷载作用关键点位置15的空间相关、时间同步的风-浪-流禪合场 特征参数。
[0010] 上述方案中，所述风观测站6包括测风塔16、风速传感器17和风速采集设备18， 其中，测风塔16安装在两岸陆地开阔地带9上；沿测风塔16不同高度位置布置多层风速传 感器17 ;在测风塔16的下部安装风速采集设备18。所述风速传感器17采用超声风速传感 器，采样频率n> 4Hz;风速传感器17进行连续的梯度风观测，获得的风观测数据保存在 风速采集设备18中，同时风速采集设备18将风观测数据发送至数据采集存储系统4。
[0011] 上述方案中，所述波流观测站10包括观测底座19、波流观测仪20、浮子21、释放 器22、重力块23和缆绳24,其中：波流观测仪20固定在放置于桥位附近海底11的观测底 座19上，观测底座19与浮子21通过缆绳24相连；浮子21、释放器22、重力块23自上而下 依次通过缆绳24相连，浮子21位于桥位附近海面25下方，重力块23放置在桥位附近海底 11。所述波流观测仪20同时进行波浪和海流的连续观测，采样频率f2 >IHz;获得连续的 波浪和海流观测数据，保存在波流观测仪20的存储卡中，观测一段时间后打拱波流观测仪 20将数据取出并传送给数据采集存储系统4。
[0012] 上述方案中，所述风观测系统1、波流观测系统2和潮位观测系统3用W实现台风 期和非台风期风、波浪、海流和潮位的多点空间相关、时间同步和连续观测，获得风场参数、 波浪场参数、流场参数和潮位的观测数据，并实时或不定期传送并保存在数据采集存储系 统4,其中风场参数至少包括风速和风向，波浪场参数至少包括波高、波周期和波向，流场参 数至少包括分层流速和流向。
[0013] 上述方案中，所述风-浪-流禪合场数值分析系统5包括考虑地形影响的=维风 场数值模拟模块、SWAN波浪场数值模拟模块和风暴潮数值模拟模块，其中：风-浪-流禪 合场数值分析系统5首先采用考虑桥位附近海峡两岸地形13影响的=维风场数值模拟模 块，建立包含桥位附近海峡两岸地形13的=维风场模型，利用数据采集存储系统4采集的 风观测数据对=维风场模型进行数值模拟、验证和校准后，分析模拟得到桥位7区域的= 维风场；然后，风-浪-流禪合场数值分析系统5采用SWAN波浪场数值模拟模块和风暴 潮数值模拟模块，建立桥位7区域的风-浪-流禪合场数值模拟模型，利用分析模拟得到 的桥位7区域=维风场和利用数据采集存储系统4采集的波浪、海流、潮位观测数据，对 风-浪-流禪合场数值模拟模型进行数值模拟、验证和校准后，最后结合历史观测数据，得 到桥梁风荷载作用关键点位置14、波浪和水流荷载作用关键点位置15的空间相关、时间同 步的风-浪-流禪合场特征参数。
[0014] 上述方案中，所述风-浪-流禪合场数值分析系统5在得到桥梁风荷载作用关键 点位置14、波浪和水流荷载作用关键点位置15的空间相关、时间同步的风-浪-流禪合场 特征参数的过程中，风-浪-流禪合场中风速、波高和流速极值相关性的联合概率分布选用 M3Copula函数，其函数表达式为：
[0016] 式中：Ui、U2和U3分别为风速、波高和流速的边缘分布函数，通过极值I型分布、威 布尔分布或对数正态分布择优拟合得到，目1和02为M3Copula函数的参数，通过极大似然 法、适线法或矩法参数估计得到。
[0017] 上述方案中，所述风-浪-流禪合场数值分析系统5在得到桥梁风荷载作用关键 点位置14、波浪和水流荷载作用关键点位置15的空间相关、时间同步的风-浪-流禪合场 特征参数的过程中，风-浪-流禪合场中风速、波高和流速极值选用复合极值模型，其概率 分布函数为：
[0019] 式中马、X2和X3分别表示风速、波高和流速，U1、U2和U3为对应的边缘分布函数； c(Ui，U2，U3)为风速、波高和周期联合概率分布函数C(Ui，U2,叫）的密度函数；入为Poisson 分布参数。
[0020] (S)有益效果
[0021] 从上述技术方案可W看出，本发明具有W下有益效果：
[0022] 1、本发明提供的跨海桥梁风-浪-流禪合场观测和模拟系统，风观测系统、波流观 测系统和潮位观测系统分别由多个风观测站、波流观测站和潮位观测站组成，并且上述= 个系统进行时