洞庭湖大橋橋面風(fēng)場特性實測研究

鄒樹榮　禹見達(dá)　劉力

摘 要：現(xiàn)場實測是一種重要的抗風(fēng)研究手段，本文為了研究洞庭湖大橋橋面的風(fēng)場、風(fēng)壓特性，對洞庭湖大橋橋面的風(fēng)場和風(fēng)壓進(jìn)行了現(xiàn)場同時實測。獲得了橋面的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子等風(fēng)場特性參數(shù)，結(jié)果表明：洞庭湖橋面風(fēng)的平均風(fēng)速較小，風(fēng)向穩(wěn)定；紊流度和陣風(fēng)因子都較小，接近I類地貌推薦值。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場實測；風(fēng)壓系數(shù)；相關(guān)性

隨著大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，風(fēng)荷載已成為橋梁設(shè)計時最重要的參考因素，獲取準(zhǔn)確的風(fēng)場和風(fēng)壓特性參數(shù)對橋梁抗風(fēng)設(shè)計至關(guān)重要。風(fēng)場特性參數(shù)會隨著地理環(huán)境的變化而顯著變，所以風(fēng)洞試驗和數(shù)值計算很難模擬出橋梁結(jié)構(gòu)真實的受力狀況，而現(xiàn)場實測剛好能彌補(bǔ)這一點(diǎn)。國外學(xué)者在這方面的研究比較早， Kanda 等[1]總結(jié)了日本20世紀(jì)70年代后的高層建筑風(fēng)場實測的研究成果。Geurts等[2]對試驗建筑進(jìn)行了風(fēng)場和風(fēng)壓的全方位測量。王浩多次測量了潤揚(yáng)長江大橋的強(qiáng)季風(fēng)和臺風(fēng)數(shù)據(jù)，得到了非常有用的實測結(jié)果。本文在西部課題的支持下，于 2013年11月23、24日，對洞庭湖大橋橋面進(jìn)行了風(fēng)速現(xiàn)場實測，采集了大量的有用數(shù)據(jù)，并分析獲得了一些有用結(jié)果，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計提供一定參考。

一、風(fēng)場特性實測

本實驗采用RM Young 81000三向超聲風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速采集，風(fēng)速儀安裝在橋面主跨跨中，離湖面高30m，風(fēng)速儀N極平行于橋軸線指向岳陽側(cè)，風(fēng)向以順時針為正。

二、風(fēng)場特性參數(shù)

三維風(fēng)速，和是風(fēng)速儀坐標(biāo)下，和方向的實數(shù)序列，按基本時距分析，則水平風(fēng)速，風(fēng)向角，風(fēng)攻角可表示為：

式中，為向的脈動風(fēng)均方根，為平均風(fēng)速，本文陣風(fēng)持續(xù)時間取3s。

三、橋面風(fēng)場特性分析

洞庭湖橋面的10min平均風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)攻角時程曲線，可以看出，洞庭湖大橋橋面風(fēng)速主要集中在5～11m/s；風(fēng)向角主要集中在210?！?40。之間，風(fēng)向穩(wěn)定；風(fēng)攻角變化范圍較小，主要集中在0?！?。之間。

風(fēng)攻角是指由于地形的影響， 近地風(fēng)與水平面的傾斜角，它與風(fēng)速無必然聯(lián)系。隨著風(fēng)速增大，風(fēng)攻角變小，這主要是風(fēng)速增大，風(fēng)場穩(wěn)定性變強(qiáng)，不易受近地物體的影響。10min平均風(fēng)攻角與風(fēng)向角的關(guān)系，可以看出，隨著風(fēng)向角增大，風(fēng)攻角也增大，主要原因是橋面對風(fēng)場的干擾，不同風(fēng)向的風(fēng)場的流線不同，使得風(fēng)攻角變化較大。

圖1是10min平均紊流度和陣風(fēng)因子時程曲線，從統(tǒng)計結(jié)果來看，洞庭湖大橋橋面風(fēng)場的縱向紊流度和陣風(fēng)因子均較小，接近《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中I類場地推薦值0.13和1.38，洞庭湖大橋?qū)儆贗類地貌。

為橫、縱紊流度的相關(guān)性，直線擬合結(jié)果為，略去尾數(shù)0.0042，，比規(guī)范的推薦值為要略大；同樣，橫、縱陣風(fēng)因子也存在一定的相關(guān)性，橫、縱陣風(fēng)因子關(guān)系擬合結(jié)果為。

四、結(jié)論

1、實測得到了洞庭湖大橋橋面風(fēng)場數(shù)據(jù)，分析了橋面的風(fēng)場的紊流度和陣風(fēng)因子，結(jié)果表明，洞庭湖橋面的橫向紊流度，略大于規(guī)范推薦的，紊流度和陣風(fēng)因子都較小，屬于規(guī)范里的I類地貌。

2、隨著風(fēng)速增大，風(fēng)場穩(wěn)定性增強(qiáng)，風(fēng)攻角變??；紊流度越大，陣風(fēng)因子越大，其關(guān)系可以近似用正相關(guān)函數(shù)擬合。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hui Li， Shujin Laima，Jinping Ou，etal. Investigation of vortex-induced vibration of a suspension bridge with two separated steel box girders based on field measurements[J]. Engineering Structures 33 （2011），1894–1907.

[2]龐加斌，宋錦忠，林志興.四渡河峽谷大橋橋位風(fēng)的湍流特性實測分析[J].中國公路學(xué)報，2010，23（3）：42-47.