橋塔上風傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響

張明金， 李永樂， 余顯全， 劉德敬， 張 李

(1.西南交通大學橋梁工程系，四川 成都 610031;2.云南龍江特大橋建設指揮部，云南 騰沖 679100)

為確保橋梁結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全性，必 須合理確定橋址區(qū)的風場特性，以便為橋梁抗風設計提供可靠依據(jù).橋址區(qū)風場特性的確定一般可以采用 CFD(computational fluid dynamics)仿真模擬［1-2］、風洞地形模型試驗［3］和現(xiàn)場實測［4-6］3 種方法.

現(xiàn)場實測是目前確定橋址區(qū)風場特性應用最廣泛也是最直接的方法，國內(nèi)外已進行大量現(xiàn)場實測.李杏平、劉明等分別對沿海平原地區(qū)的蘇通大橋、西堠門大橋橋址區(qū)的風特性進行了實測［7-8］;張玥、高亮分別對黃河中上游的禹門口黃河大橋和新疆阿拉山口、達坂城、額爾齊斯河河谷風場進行了實測［9-10］;朱樂東、龐加斌、金磊等分別對位于中西部山區(qū)的壩陵河大橋、四渡河大橋和矮寨大橋橋址區(qū)的風特性進行了觀測［11-13］;T Amano等采用三維多普勒雷達，對過境沖繩島的一個臺風進行了觀測［14］.

實測大多是在橋址區(qū)新建風觀測塔，對橋址區(qū)的風特性進行實測［6-10］，也有利用在建的橋塔或主梁進行橋址區(qū)風場實測［15］的.無論是新建風觀測塔，還是利用已有的主梁或橋塔對橋址區(qū)風特性進行實測，多數(shù)未能充分考慮風觀測塔或橋梁構(gòu)造物對觀測的影響.實測中，由于大部分風傳感器距離構(gòu)造物在5 m以內(nèi)，不能忽略構(gòu)造物對測量結(jié)果的影響.因此，如何合理地選擇風傳感器的安裝位置以及如何對實測數(shù)據(jù)進行修正，是需要解決的問題.

本文分析了風傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響，對山區(qū)橋塔上風傳感器的安裝位置進行優(yōu)化，并給出了不同來流下風速和風向的修正函數(shù).

1 工程背景

以位于云南西部山區(qū)的龍江大橋為工程背景.龍江大橋是保騰(保山—騰沖)高速公路控制性工程，是主跨為1196 m的單跨懸索橋，錨跨320 m，跨徑組合為320 m+1196 m+320 m.橋塔采用混凝土組合圓形截面，橋塔橫梁采用箱形梁截面，保山岸索塔(東塔)和騰沖岸索塔(西塔)的高度分別為178和137 m.

龍江大橋主梁設計高程距離河谷底約285 m，河谷呈“V”型.橋址區(qū)地形地貌復雜，風環(huán)境惡劣，加之該橋跨度大、橋塔高，結(jié)構(gòu)較柔性，對風的作用非常敏感.因此，對龍江大橋的風特性進行了長期現(xiàn)場實測，風傳感器安裝在風速較大的保山側(cè)橋塔上.

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型

采用計算流體力學大型商用軟件Fluent，針對研究對象，利用前處理軟件Icem建立橋塔附近流動區(qū)域的幾何形狀，設定邊界類型并生成網(wǎng)格，輸出用于Fluent求解器計算的格式，選擇合適的模型和參數(shù)進行計算.

為考察不同來流風向下橋塔附近風場的變化規(guī)律，采用600 m×600 m的正方形計算區(qū)域.橋塔截面最大特征尺寸為7.5 m，計算區(qū)域內(nèi)阻塞率最大為2.5%，阻塞率滿足計算要求.有限元模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散.為重點分析橋塔附近的風場，對橋塔區(qū)周圍的網(wǎng)格進行加密，遠離橋塔區(qū)的網(wǎng)格劃分相對較稀.計算區(qū)域內(nèi)共劃分網(wǎng)格約63萬個.根據(jù)來流風向的不同設置入口和出口邊界，入口邊界采用速度入口，出口邊界采用壓力出口，橋塔壁面采用無滑移邊界條件.采用k-ω湍流模型分析計算區(qū)域內(nèi)的風場流動.計算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分見圖1.

圖1 計算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分Fig.1 Local meshes in computational domain

2.2 計算工況

已有的氣象觀測資料表明，橋位處的風向較為固定，主要以順河道的東南風和西北風為主.橋位處日常大風10 min平均風速最大約12 m/s.根據(jù)橋位處已有的風向和風速資料，設置了5種不同來流風向的計算工況，這些工況包含了橋位處的主要來流風向.同時，針對核心工況3設置了5種不同來流風速，工況1～5見圖2(a).

為減少2個塔肢的干擾，風傳感器的安裝選定在主風向迎風側(cè)的上游塔肢上，因此重點分析上游塔肢附近的風場.為全面了解橋塔周圍的繞流情況，有限元模型中，在上游側(cè)塔肢周圍以塔中心為圓心的一系列圓周上布置虛擬風觀測點(見圖2(b))，每個圓周上均布置32個虛擬風觀測點，兩觀測點間隔的角度為11.25°.圓半徑從5.5～12.5 m，虛擬風觀測點離橋塔表面的距離為1.75～8.75 m.假定橋塔的特征尺寸為D，相當于虛擬風觀測點離橋塔的距離為0.2D～1.2D.

圖2 計算工況及虛擬風觀測點布置Fig.2 Calculation cases and virtual observation points

3 計算結(jié)果與分析

3.1 塔周流場

工況3的來流風向處于橋位處主風向中心，能代表橋位處40%的來流風向，故就該來流風向?qū)蛩車牧鲌鲞M行分析.根據(jù)工況3的來流風向?qū)蛩車挠^測點分為2類——直接面對來流方向的觀測點稱為迎風側(cè)觀測點，背向來流方向的觀測點稱為背風側(cè)觀測點.

離塔柱不同距離處迎風側(cè)觀測點的風速比值(觀測點處的風速與來流風速之比)見圖3(a).可見，風速比值在0.45～1.30之間波動，隨觀測點距塔柱距離增大，風速比值波動幅度迅速減小，逐漸趨近于1.0;在與來流方向夾角為 45.0°～56.5°和－45.0°～ －56.5°的區(qū)間內(nèi)，風速比值隨距塔距離增大而迅速減小，當距離為0.6D時已趨近于1.0，表明此時風觀測點處的風速和來流風速相同.

背風側(cè)觀測點的風速比值見圖3(b).由于背風側(cè)觀測點大部分位于橋塔尾流區(qū)，故風速波動較大.正尾流區(qū)的風速比值均小于0.3，表明該區(qū)域內(nèi)風傳感器測得的風速僅為實際風速的0.3倍，因此不考慮在主風向的背風側(cè)安裝風傳感器.

圖3 觀測點風速比值Fig.3 Wind speed ratio of observation points

圖4 觀測點風向角誤差Fig.4 Deviation of wind direction of observation points

觀測點風向角的誤差見圖4.風向角誤差是指風傳感器安裝位置處的計算風向與實際來流風向的夾角.從圖4(a)可見，正對來流方向(迎風側(cè))的測點，其風向角誤差最小，其次為與來流風向成90°的測點.總的說來，風向角的誤差隨觀測點距橋塔距離增大而迅速減小.在與來流風向夾角為45.0°～56.5°和 －45.0°～ －56.5°范圍內(nèi)，當距橋塔距離達到1.0D時，風向角的誤差小于10°.從圖4(b)可見，背風側(cè)處于橋塔尾流區(qū)，風向比較紊亂，規(guī)律性不明顯.

根據(jù)以上分析可見，若以風速比值介于0.9～1.1之間，風向角誤差在±10°以內(nèi)為原則，風傳感器較優(yōu)的安裝位置為距橋塔距離大于1.0D，且與來流風向的夾角為 45.0°～56.5°和 －45.0°～－56.5°范圍內(nèi).

3.2 風速的影響

仍采用核心工況3的來流風向.根據(jù)上述分析，風傳感器的安裝位置應距離橋塔1.0D以上，因此，采用距離橋塔1.0D處迎風側(cè)的觀測點來考察風速的影響.

圖5為迎風側(cè)觀測點的風速比值和風向角誤差隨來流風速(分別為6、8、10、12和14 m/s)的變化.可見，盡管來流風速不同，但風速比值、風向角誤差基本不變，表明風傳感器的安裝位置對風速不敏感.

圖5 風速的影響Fig.5 Influence of wind speed

3.3 風向的影響

以距離橋塔1.0D處迎風側(cè)的觀測點來分析來流風向?qū)︼L速比值和風向角誤差的影響.迎風側(cè)觀測點風速比值隨風向的變化見圖6(a).

從圖6(a)可見:

(1)來流風向?qū)︼L速比值的影響明顯，說明來流風向改變是引起風速比值變化的主要因素;

(2)在5種不同來流風向下，風傳感器在擬定的安裝區(qū)域內(nèi)均能滿足風速比值在0.9～1.1之間的要求.

圖6 風向的影響Fig.6 Influence of wind direction

迎風側(cè)觀測點風向角誤差隨風速的變化見圖6(b).

從圖6(b)可見:

(1)風向角誤差也與來流風向緊密相關(guān);

(2)在5種不同來流風向下，擬定安裝區(qū)域內(nèi)均滿足風向角誤差小于±10°的要求.

3.4 觀測結(jié)果修正

以上分析表明，風傳感器安裝在距離橋塔1.0D 以上、與來流方向夾角為 45.0°～56.5°和－45.0°～ －56.5°范圍內(nèi)時，可同時滿足風速比值在0.9～1.1之間和風向角誤差小于10°的要求，且具有較強的風速適應性.

此外，即使風傳感器安裝在上述優(yōu)化區(qū)域，風速比值仍在1.0附近波動，風向角也有10°以內(nèi)的誤差，因此需要對實測風速、風向進行修正.可基于CFD的以上分析結(jié)果確定風速修正系數(shù)和風向角修正值.圖7(a)為風速修正系數(shù)與來流風向的關(guān)系(風向角以工況1來流方向為0°).

從圖7(a)可見，風速修正系數(shù)與來流風向近似呈線性關(guān)系變化.因此，修正后的風速

ux=ruc，

式中:uc為測量風速;

r為風速修正系數(shù)，可根據(jù)擬合函數(shù)(圖7(a))獲得.

圖7 風速和風向角修正Fig.7 Corrections of wind speed and wind direction

從圖7(b)可見，風向角誤差與來流風向近似呈拋物線關(guān)系變化.因此，修正后的風向角

β =βc+βx，

式中:βc為測量風向角;

βx為風向角修正值，可根據(jù)擬合函數(shù)(圖7(b))獲得.

4 結(jié)論

對峽谷區(qū)橋塔上風傳感器的安裝位置進行了優(yōu)化，分析了風傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響，獲得以下結(jié)論:

(1)橋塔對風觀測結(jié)果的影響較大，即使風傳感器位于迎風側(cè)，風速比值仍然在0.45～1.30之間波動，實際觀測需要考慮橋塔對空氣流動的影響.

(2)對圓柱形橋塔，風傳感器的安裝位置應距離橋塔外表面1.0倍特征尺寸以上，與來流風向的夾角宜在 ±(45.0°～56.5°)范圍內(nèi).

(3)優(yōu)化后的風傳感器安裝位置對風速不敏感，但對風向較敏感，因此，風傳感器的安裝位置應根據(jù)橋位處的主導風向確定.

(4)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)宜進行修正，修正可減小橋塔對觀測結(jié)果的影響.

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