西堠門大橋橋址處風場特性研究

劉 明，廖海黎，李明水，馬存明

(西南交通大學 風工程試驗研究中心，成都 610031)

風特性的現(xiàn)場觀測是結構風工程的主要研究方法之一，尤其是強風期間在實橋上觀測橋址區(qū)的風特性以及橋梁風致振動的特征和主要參數(shù)。對于沿海臺風多發(fā)地區(qū)，大型結構受強風影響更為突出和頻繁，風荷載成為作用于結構上的主要荷載之一。為了能夠準確計算出作用在結構上的風特性，需要對該地區(qū)進行大量風實測，然后對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。本文利用西堠門大橋中橋址處風速儀采集的數(shù)據(jù)，對橋址區(qū)風場特性進行了較為細致的分析，為該橋的抗風安全性評估提供了依據(jù)。同時可為其他大型結構，尤其是浙江省其他跨海大橋的抗風提供參考。

1 工程概述

風場實測地點在浙江舟山西堠門大橋橋面上。由于該橋所在地區(qū)天氣氣候復雜，災害性天氣特別是臺風、龍卷風、強風天氣出現(xiàn)的頻率較內(nèi)陸地區(qū)明顯增多，因此該橋的抗風特性不僅成為該橋施工期和運營期結構安全性的控制因素，也成為其建設進度的重要影響因素。

脈動風記錄采用美國Young公司生產(chǎn)的81000型三維超聲風速儀。該風速儀能適應各種惡劣氣候，實現(xiàn)對風速風向的精確測量。超聲風速儀固定在距橋面約3 m高處，距離海平面約68 m(見圖1)。

圖1 西堠門大橋橋面風速儀布置(單位:m)

2 脈動風特性計算

2.1 平均風速和平均方位角

81000型風速儀輸出的每組數(shù)據(jù)包含4個數(shù)，分別為風速U，方位角β，攻角α，和大氣溫度。方位角β為來流與北向順時針的夾角。取10 min作為樣本的平均時段，計算每個樣本的U、ˉβ、ˉα，此即為每個樣本的平均風速 U，和平均風向(ˉβ，ˉα)，圖 2、圖 3 分別為一次大風過程中，4個風速儀連續(xù)觀測的風特性實測結果。從中可以看出，四個風速儀輸出的平均風速相接近。整個持續(xù)階段內(nèi)平均風速為9.83 m/s，其中最大10 min平均風速為19.4 m/s。

圖2 10 min時距的平均風速

圖3 10 min時距的平均風向角

2.2 紊流強度和陣風因子

紊流強度和陣風因子是反映大型結構物風致振動的兩個重要參數(shù)。紊流強度表示紊流中脈動量與平均量的比值，作為確定結構脈動風荷載的關鍵參數(shù)，定義為風的脈動分量平均變化幅度(均方差)與平均風速之比。根據(jù)我國規(guī)范，紊流度定義為10 min時距脈動風的標準方差與平均風速的比值，如式(1)

其中σi分別表示脈動風速三個方向 u(t)，v(t)和 w(t)的均方根。日本建筑學會推薦估算順風向紊流強度的經(jīng)驗公式

4個風速儀平均 Iu、Iv和 Iw的平均值分別為 0.150、0.114 和 0.050。Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。式(2)中α為冪指數(shù)，根據(jù)《舟山大陸連島工程氣象觀測、風參數(shù)研究專題報告》，取α=0.16;橋面離水面高度按平均潮位計算z=68 m，zG表示梯度風高度。由式(2)可得Iu=0.147，與實測Iu平均值0.15相近。圖4為平均風速與紊流強度關系曲線，由圖可見，隨著平均風速的增大，紊流強度有降低的趨勢。

風速的脈動強度也可用陣風因子表示。陣風因子通常定義為陣風持續(xù)期tg內(nèi)平均風速的最大值與10 min時距的平均風速之比

結構風工程中定義陣風持續(xù)期為2～3 s，本文取tg=3 s，一般說tg越大，對應的陣風因子越小。當tg=10 min，Gu=1。

一些學者對順風向紊流強度與陣風系數(shù)以及陣風持續(xù)時間之間關系進行了一些研究，Choi在實測風速基礎上提出了如下經(jīng)驗公式

4個風速儀平均 Gu、Gv和 Gw的平均值分別為1.32、0.27和0.10。圖5為陣風因子與平均風速之間的關系，由圖可見，隨著風速的增加，陣風因子逐漸減小。圖6為陣風因子與紊流強度之間的關系曲線。本文采用的樣本時間為10 min，tg=3 s。因此，將式(4)修正為

圖4 順風向、橫風向、豎向紊流強度與10 min平均風速關系

圖5 順風向、橫風向、豎向陣風因子與10 min平均風速關系曲線

圖6 紊流強度與陣風因子關系

2.3 摩阻速度

摩阻速度表征了由于地面粗糙效應而引起的水平平均動量在垂直方向的損失，有時又稱為剪切速度，其平方與Reynolds應力成正比。

式(6)在應用于實測數(shù)據(jù)分析時往往容易受到不穩(wěn)定因素干擾，Tieleman和Mullins推薦采用平方和開方計算，即

對接近地面的實測數(shù)據(jù)而言，由于橫向分量-v′w′很小，兩式計算結果幾乎沒有差別。在處理高度較大的實測風速數(shù)據(jù)時，由于橫向分量-′的波動較大，式(7)避免了兩 Reynolds應力分量之和出現(xiàn)負值的可能。因此。本文采用式(7)計算摩阻速度。

如果大氣邊界層是穩(wěn)定的，摩阻速度主要與地面粗糙程度和平均風速大小有關，此時它與縱向脈動速度的均方差也存在較好的比例關系。如果大氣湍流脈動速度的功率譜密度函數(shù)滿足Kaimal譜，那么摩阻速度和縱向脈動速度均方差之間的關系為:

圖7為平均風速與摩阻速度平方值的相關曲線，由圖可見，隨著平均風速的升高，摩阻速度平方值有增加趨勢。圖8為縱向脈動速度方差與摩阻速度平方值之間的相關曲線，由圖可見，兩者間近似線性關系，用線性擬合可得到關系式(9)，擬合系數(shù)與理論計算結果不很一致。對每個具體時段而言，兩者的關系很不穩(wěn)定，因為實際大氣邊界層湍流很難滿足中性穩(wěn)定層的假設。

圖7 平均風速與摩阻速度平方值的相關曲線

圖8 縱向脈動速度方差與摩阻速度平方值的相關曲線

2.4 紊流功率譜

紊流功率譜密度函數(shù)是脈動風速時程的主要數(shù)字特征，能夠準確反映出脈動風中個頻率成分所作貢獻的大小。Davenport曾根據(jù)世界上不同地點、不同高度處測得的強風記錄擬合得到水平脈動風速譜，后來很多學者在此基礎上進行了改進，目前我國橋梁抗風規(guī)范采用的是1972年Kaimal提出的表達式。

式中，Su(n)、Sw(n)為順風向功率譜密度函數(shù)，n為脈動風頻率;f=nz/U為莫寧坐標。

3 結論

本文利用安裝在西堠門大橋橋面4個3-D超聲風速儀，對西堠門大橋橋址處風場進行了長時間的連續(xù)觀測，獲得了長時段的穩(wěn)定的強風數(shù)據(jù)樣本。對風特性各種參數(shù)及其之間的關系進行了詳細的分析研究，為進一步研究沿海地區(qū)風特性提供了有益的參考。

1)實測的脈動風紊流強度平均值分別為:Iu=0.15，Iv=0.114，Iw=0.05，三者的比值平均為 Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。與我國《公路橋梁抗風設計指南》規(guī)定有一定差別，可能是因為本文結果為一次大風實測結果，若選取不同時段實測數(shù)據(jù)，其分析結果可能更接近規(guī)范值。

2)通過紊流強度和陣風因子與平均風速變化曲線可見，隨著平均風速的升高，紊流強度和陣風因子有下降的趨勢。修正后的經(jīng)驗公式能夠很好地描述陣風因子與紊流強度之間的關系。

3)隨著平均風速的升高，摩阻速度平方值有增加趨勢。縱向脈動風速方差和摩阻速度平方間存在近似的線性關系=-0.18+2.53，與理論值6.0不很一致，表明摩阻速度容易受到大氣湍流不穩(wěn)定因素影響。

4)實測湍流功率譜曲線縱向分量接近于 Kaimal譜曲線，豎直分量接近于Panofsky譜曲線。實測譜與Panofsky曲線吻合程度較好，而縱向譜與 Kaimal譜吻合不是很好，實測湍流功率譜曲線在低頻段比理論曲線略高，而在高頻段的能量略低。

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