峽谷復(fù)雜地形風(fēng)場空間分布特性試驗研究

張　玥， 唐金旺， 周　敉， 高　亮

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安　710054；2.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安　710064；3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安　710048)

峽谷復(fù)雜地形風(fēng)場空間分布特性試驗研究

張玥1， 唐金旺1， 周敉2， 高亮3

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安710054；2.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安710064；3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安710048)

山區(qū)峽谷地貌復(fù)雜，風(fēng)場參數(shù)確定是橋梁設(shè)計面臨的突出問題，而現(xiàn)有橋梁抗風(fēng)規(guī)范缺乏對此類地形條件的描述;以某實橋作為工程背景，進(jìn)行了橋址區(qū)峽谷地形風(fēng)洞試驗研究。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析了峽谷復(fù)雜地形下不同風(fēng)向的平均風(fēng)和脈動風(fēng)特性，并基于氣象站歷史風(fēng)速記錄和規(guī)范風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了以梯度風(fēng)高度及基本風(fēng)壓推算橋址區(qū)基本風(fēng)速的方法。試驗結(jié)果表明：橋址峽谷地帶，無明顯峽谷風(fēng)效應(yīng)，平均風(fēng)剖面分布不能依據(jù)統(tǒng)一形式描述；擬合得到橋址橋面高度處風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.20，地表類型歸為C類；順著峽谷中心來流，湍流強度值明顯小于其它來流；與理論曲線相比，實測風(fēng)速功率譜在低頻段偏低而高頻段略微偏高；隨著風(fēng)向角增大，水平脈動風(fēng)速譜向高頻段偏移。

山區(qū)峽谷；橋梁工程；風(fēng)特性參數(shù)；地形模型；風(fēng)洞試驗；基本風(fēng)速

本文以位于晉陜大峽谷地帶禹門口黃河大橋橋址周圍風(fēng)場特性為研究對象，考慮其地形、地貌復(fù)雜，具有一定的代表性。通過開展地形模擬風(fēng)洞試驗，總結(jié)了各向異性復(fù)雜地形下橋峽谷地帶風(fēng)場分布特性，并歸納了峽谷特殊地形橋址處基本風(fēng)速的確定方法。

1工程概況

禹門口黃河大橋[7]位于晉陜大峽谷南端，地處黃河中游禹門口至潼關(guān)河段，為典型的河流堆積地貌(見圖1)，該河段為南北走向，禹門口兩岸巖壁陡立，地形為寬100 m左右的峽谷河槽，出禹門口后驟然擴(kuò)散，形成寬淺性河床，水流散亂，沙洲密布。橋址區(qū)屬于暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，歷年平均氣溫12.2～13.6℃，年極端最高氣溫42.8℃，極端最低氣溫-25.6℃。主要地形特征是東西走向的山嶺，山體連綿起伏，西南低、東北高，其海拔高度為380～875 m不等，橋位恰處于峽谷的咽喉部位(最窄位置)。該區(qū)域風(fēng)向以NW風(fēng)和SE風(fēng)為主，歷年平均風(fēng)速為9.0 m/s，最大風(fēng)速24 m/s。

圖1　橋址地形平面圖Fig.1 Sketch of terrain at the bridge site

2風(fēng)洞試驗規(guī)劃和布置

2.1模型制作

該風(fēng)洞試驗在長安大學(xué)風(fēng)洞實驗室 CA-1 大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。試驗?zāi)M橋址周圍1 000 m范圍地形，其模型為一半徑R=1 m圓形區(qū)域，沿河道中心線布置0～4號測點，共計5個測點，測點間距為20 cm，其它具體測點布置(見圖2)。模型比例采用1∶1 000，底盤高度為10.8 cm，以河谷水面為基準(zhǔn)，采用擠塑板按照等高線切割分層累積模擬山形地貌，每層擠塑板厚度為5 cm。

試驗流場風(fēng)速由皮托管和微壓計進(jìn)行測量、監(jiān)控，大氣邊界層模擬風(fēng)場的調(diào)試和測定采用丹麥 DENTEC 公司的 Streamline 熱線/熱膜風(fēng)速儀；試驗壓力測量系統(tǒng)采用美國 PSI 公司電子壓力掃描閥，進(jìn)行模型相應(yīng)點處壓力的測量。

圖2　橋位地形模型測點布置圖Fig.2 Measuring points map of bridge site terrain model

2.2試驗工況及數(shù)據(jù)處理

葉總在等待老賈過來的時候，也打量起這盒子錢。孟導(dǎo)心急，之前就已經(jīng)看過了，盒子里一共1 4 1枚銅錢，大小各異，材質(zhì)和成色也各有差異。至于值錢不值錢，有沒有價值，孟導(dǎo)當(dāng)然就不得而知了。

橋址風(fēng)場采用均勻流風(fēng)場，其風(fēng)速為10 m/s。排管由低至高共布設(shè)30個測點，高度范圍為2.1～96 cm。規(guī)定風(fēng)洞試驗來流方向為河道最窄處連線的垂直方向，模型按照順時針旋轉(zhuǎn)，0號測點風(fēng)向角范圍為0°～330°，以30°為一級增加，共12個風(fēng)向角，1～9號測點風(fēng)向角選取0°和180°為參考，測試不同來流方向下橋址周圍風(fēng)場的變化情況。將采集到的風(fēng)壓時程轉(zhuǎn)換成風(fēng)速時程，可分別計算出風(fēng)速剖面、紊流強度、積分尺度、功率譜等風(fēng)特性參數(shù)。

3橋址風(fēng)特性參數(shù)結(jié)果及分析

3.1山區(qū)峽谷風(fēng)效應(yīng)

河谷中心0號測點12個風(fēng)向角來流下的最大風(fēng)速記錄見圖3～圖4，出現(xiàn)最大風(fēng)速主要來自NE、SE和NW三個方位，其中SE附近的風(fēng)向達(dá)到了12.25 m/s，這與歷史記錄資料相符。表明在以后的抗風(fēng)安全監(jiān)測中要予以重視，尤其是沿著河谷走向的NW和SE兩個風(fēng)向。雖然橋址處各方向來流最大風(fēng)速多數(shù)超過試驗來流風(fēng)速，其產(chǎn)生最大風(fēng)速所在高度普遍超過山頂，并不意味著峽谷內(nèi)存在風(fēng)速加速效應(yīng)。

圖3　風(fēng)洞試驗?zāi)M0號測點風(fēng)速玫瑰圖Fig. 3 Wind rose diagram of 0 measuring points in wind tunnel test

圖4　0號測點風(fēng)速玫瑰圖局部放大示意圖Fig. 4 Local enlargement of wind rose diagram at 0 measuring points

圖5　0號測點不同風(fēng)向角來流風(fēng)速變化圖Fig.5 Variation of wind speed with different wind direction at 0 measuring point

圖5是橋位處0號測點在不同來流方向下風(fēng)速隨著高度變化的示意圖。從圖5可知,河谷中心測點不同來流方向下，風(fēng)速隨著高度增加而增大，在一定高度以上風(fēng)速垂直分布幾乎不變，不受限制。當(dāng)風(fēng)順著山谷方向吹來，(0°和30°、180°和210°)四個風(fēng)向下，風(fēng)速隨著高度變化規(guī)律比較符合傳統(tǒng)的風(fēng)剖面。當(dāng)風(fēng)向垂直河谷時(60°，90°和270°，300°，330°)，河谷中心一定高度范圍內(nèi)，其平均風(fēng)速特別小且保持不變，幾乎為零；隨著高度變化接近山頂時，平均風(fēng)速驟然增加，基本達(dá)到風(fēng)洞試驗設(shè)計風(fēng)速。這種現(xiàn)象主要是因為風(fēng)速受到整個山體遮擋，風(fēng)特性受回流區(qū)控制，其風(fēng)特性與平坦地區(qū)顯然不同。在其它來流方向(120°，150°和240°)風(fēng)速部分受到遮擋影響，在高度低于山頂時，平均風(fēng)速變化頻率快，但風(fēng)速變化程度較慢；在高度超過山頂時，風(fēng)速輪廓接近傳統(tǒng)的指數(shù)分布特征。根據(jù)地形分析，這三個風(fēng)向處于下游，地形為淺灘，風(fēng)速受到地表粗糙度的影響，其邊界層的風(fēng)速無法達(dá)到試驗風(fēng)速。

3.2平均風(fēng)剖面

試驗表明,不同風(fēng)向來流在橋位處有以下規(guī)律：順橋向來流(90°和270°風(fēng)向角)在遮擋作用下，風(fēng)速剖面不符合指數(shù)變化規(guī)律。橫橋向來流(0°和180°風(fēng)向角)順著峽谷到達(dá)橋位時，平均風(fēng)速垂直方向變化與傳統(tǒng)風(fēng)剖面吻合較好。其他來流方向在受到周圍山體干擾，風(fēng)速有一定減弱，峽谷底部區(qū)域風(fēng)速垂直變化規(guī)律不明顯。

沿著峽谷上下游兩個方向角來流，在局部不同海拔高度處測點風(fēng)速剖面存在差異。0～4號測點位于河道中心，其風(fēng)剖面無典型變化，5～9號測點受山地影響，其平均風(fēng)速在一定高度范圍的變化規(guī)律趨于傳統(tǒng)風(fēng)速剖面；在相同的風(fēng)向角下，河道中各測點風(fēng)剖面接近一致，山坡上布置的測點風(fēng)速變化程度較河谷中布置的測點大，坡腳位置的平均風(fēng)速最??；0號測點風(fēng)剖面差異較大，下游風(fēng)速大于反向來流時的風(fēng)速，主要是來流方向峽谷谷口尺寸不同，橋位上游地形復(fù)雜多變，對風(fēng)速有一定弱化作用(見圖6～圖7)。

圖6　橫橋向0°來流不同測點位置風(fēng)速變化圖Fig.6 Change of wind speed under transverse incoming flow with 0 angle in different positions

圖7　橫橋向180°來流不同測點位置風(fēng)速變化圖Fig.7 Change of wind speed under transverse incoming flow with 180 angle in different positions

取橋面高度為參考點高度，依據(jù)最小二乘法擬合出的風(fēng)速剖面指數(shù)α主要分布在0.15～0.3之間，綜合分析表1和表2，平均風(fēng)剖面指數(shù)α隨著測點及來流方向有很大差異?？偨Y(jié)其如下規(guī)律：① 河道中心測點與峽谷走向一致時，風(fēng)剖面指數(shù)小。② 各測點處的風(fēng)速剖面指數(shù)具有離散型，與河谷走向一致的兩個風(fēng)向角受地形影響，上游來流山體上測點風(fēng)剖面指數(shù)普遍高于反向來流。③ 《公路抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》風(fēng)剖面指數(shù)的相關(guān)規(guī)定已經(jīng)不滿足，計算橋址處的風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.20，為方便風(fēng)載荷計算，地表類別歸為C類。

表1　0號測點不同風(fēng)向角來流作用橋面高度處試驗結(jié)果

表2　橫橋向來流風(fēng)作用下不同測點橋面高度試驗結(jié)果

3.3湍流強度

由于受到兩側(cè)山坡干擾，當(dāng)風(fēng)向角與河谷走向一致時，湍流強度明顯比其它來流方向小，尤其是來流方向與山體基本保持垂直，邊界層對峽谷風(fēng)場產(chǎn)生干擾，湍流強度很大，在山區(qū)復(fù)雜地形條件下越是靠近山體，這種干擾作用更加突出。在河道中各個測點湍流強度接近一致，然而在7號測點位置，紊流強度值高出其它測點數(shù)倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是該測點位于NE方位山頂最高點，測試最低點高度已接近峽谷內(nèi)橋面高度，在山體表面粗糙度的影響下，形成了風(fēng)速小而紊流強度高的特點。對于橋梁抗風(fēng)設(shè)計來說，一般主要依據(jù)橫橋向橋面高度位置的湍流強度值，并結(jié)合一定偏角范圍，選取湍流強度較大值作為水平湍流強度參考值。

3.4湍流積分尺度

空間上某點湍流的原因，可以認(rèn)為是平均風(fēng)輸送的大小漩渦引起脈動，湍流積分尺度就是氣流中湍流渦旋平均尺寸的度量。湍流積分尺度是與湍流空間相關(guān)性關(guān)聯(lián)的參數(shù)，實現(xiàn)多點測量是最理想的方法。但由于現(xiàn)實條件下往往難以實現(xiàn)，依據(jù)Taylor[8-9]假設(shè)，采用自相關(guān)函數(shù)代替空間函數(shù)計算。

(1)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，積分尺度大致呈現(xiàn)隨高度上升而增大的規(guī)律，位于坡腳6號測點受山體干擾，出現(xiàn)積分尺度值先增大后減小的趨勢。同一高度計算結(jié)果遠(yuǎn)大于“抗風(fēng)規(guī)范”規(guī)定值。橋面高度處換算積分尺度結(jié)果見表3和表4，從表中可知：受局部地形影響下，積分尺度在同一測點不同來流方向下有很大差異，尤其是垂直河谷方向來流，積分尺度值很小；在橫橋向來流時，河道中各個測點積分尺度值較為接近；6～9號測點處于山坡上，上游來流方向(0°)湍流積分尺度結(jié)果明顯小于反向來流。

表3　0號測點不同來流方向下積分尺度結(jié)果

表4　橫橋向來流不同測點位置積分尺度結(jié)果

3.5脈動風(fēng)功率譜

脈動風(fēng)速功率譜表征紊流中各頻率成分所作貢獻(xiàn)大小。目前我國抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范建議水平順風(fēng)向脈動風(fēng)速譜為Kaimal譜[11]，高度Z處平均風(fēng)速為U(z)的順風(fēng)向脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)具體表達(dá)式為：

(2)

式中：su(n)為順風(fēng)向脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)，n為頻率，u*為氣流摩阻速度，f=nZ/U(z)，為莫寧坐標(biāo)。

由于篇幅所限，文章僅給出0號測點橫橋向和順橋向兩個主要來流方向脈動風(fēng)速功率譜(見圖8)。在垂直高度方向，峽谷谷底以小尺度渦旋為主，隨著高度增加，地表摩阻減少，譜頻率變低，能量耗散；在水平方向，實測風(fēng)速功率譜與理論曲線相比在低頻段偏低而高頻段略微偏高，隨著風(fēng)向角增大水平脈動風(fēng)速譜向高頻段偏移。沿著河谷方向風(fēng)速不受山體影響，在高頻段兩種譜吻合很好；垂直河谷方向來流，理論譜與Kaimal譜相比高頻段能量偏低?？紤]到渦旋性質(zhì)和能量耗散，不同頻段可以選擇不同的風(fēng)速譜公式，綜合多種方法計算。

3.6峽谷基本風(fēng)速推算

表5　百年一遇不同方法基本風(fēng)速結(jié)果比較

由表5可知，實測的歷史風(fēng)速記錄值推算基本風(fēng)速最小，后兩者結(jié)果接近一致，抗風(fēng)規(guī)范偏安全所取基本風(fēng)速值最大?？紤]氣象站歷史實測過程中，測站選擇受到橋址區(qū)地勢起伏以及山區(qū)小氣候帶來的誤差影響，其測得的數(shù)據(jù)結(jié)果具有局限性。從考慮結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能和實際工程實踐需要，取橋址附近基本風(fēng)速為27.6 m/s。

圖8　0號測點橫橋向和順橋向來流橋面高度處水平順風(fēng)向脈動風(fēng)譜Fig.8 Horizontal wind spectrum along wind direction with bridge deck under cross and longitude bridge flow at 0 measuring points

4結(jié)論

(1) 地形風(fēng)洞試驗證明：橋址區(qū)風(fēng)場特性，受到周圍山體的壓縮、分離或回流作用，結(jié)果與抗風(fēng)規(guī)范差異很大。橋位處風(fēng)速沿垂直方向分布規(guī)律，不完全滿足冪指數(shù)分布，梯度風(fēng)速高度H=383.3 m以下，與傳統(tǒng)風(fēng)速剖面比較符合，遞度風(fēng)速高度以上風(fēng)速垂直幾乎不變，不受高度影響。

(2) 山區(qū)峽谷風(fēng)場存在地形效應(yīng)綜合作用，峽谷風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)低于其它來流方向，各測點處的風(fēng)速剖面指數(shù)具有離散型，與河谷走向一致的兩個風(fēng)向角受地形影響，上游來流山體上測點風(fēng)剖面指數(shù)普遍高于反向來流。氣象站資料統(tǒng)計，該地區(qū)介B類和C類之間，風(fēng)洞試驗最小二乘法擬合風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.20，地表類別為C類。

(3) 位于山區(qū)峽谷處的橋梁進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計時，湍流強度應(yīng)考慮選取橋面高度處沿著河谷走向一定范圍風(fēng)向角的最不利值。

(4) 大多數(shù)實驗結(jié)果顯示，實測功率譜曲線與Kaimal理論譜吻合較好。在垂直高度方向，渦旋的主導(dǎo)頻率有所不同，摩阻效應(yīng)下峽谷谷底一定范圍以小尺度渦旋為主，能量高，頻率高。

(5) 橋址處NW、NE和SE三個方位最大風(fēng)速脈動特性易引起風(fēng)致振動，對橋梁抗風(fēng)性能應(yīng)予以重視，基于氣象站實測資料和規(guī)范計算，確定該橋址區(qū)域基本風(fēng)速為27.6 m/s。

(6) 針對此類復(fù)雜地形的橋梁風(fēng)振響應(yīng)分析來說，一般橋址區(qū)橫橋向作用為主導(dǎo)因素，順橋軸線及其它最大風(fēng)速頻繁的方向仍有待細(xì)致研究。綜合規(guī)范和氣象站歷史記錄資料確定基本風(fēng)速的方法，合理的選取基準(zhǔn)高度尤為重要。本文目前只針對實際復(fù)雜地形進(jìn)風(fēng)洞試驗研究，相關(guān)數(shù)值模擬計算等驗證是下一階段研究的重點。

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Experimental research on the spatial distribution characteristics of wind field in valley terrain

ZHANG Yue1， TANG Jin-wang1， ZHOU Mi2， GAO Liang3

(1. School of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China；2. Key Laboratory for Bridge and Tunnel Engineering of Shaanxi，Chang’an University，Xi’an 710064, China；3. School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

Landscapes in mountainous valleys are complex. Determining the parameters of the wind field is a prominent problem in the design of bridges. However, the existing wind-resistant specification for bridges lacks descriptions such as terrain conditions. Based on a real bridge as the engineering background, this study carries out a wind tunnel test on the valley of the bridge site. According to the test data, the average wind and fluctuating wind characteristics of different wind directions are analyzed. On the basis of a historical wind speed record on the weather station and the wind speed standard in specification, the method of calculating basic wind speed at the bridge site area with the gradient wind height and basic wind pressure is summarized. The experiment results prove that there is no obvious valley-wind effect in the bridge site and that the mean wind profile cannot be simulated in a uniform way. The wind profile exponent isα=0.20, a type of surface classified as C. The turbulence intensity of the flow down the valley center is significantly smaller than in other types of landscapes. The measured wind power spectrum compared to the theoretical curve is lower at a low frequency and higher at a high frequency. Its horizontal turbulence power spectrum will shift to high frequency along with the increase in the wind direction.

mountain valley；bridge engineering；wind characteristic parameters；terrain-model；wind tunnel test；basic wind speed

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.006

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2013JQ7031)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3108211511070)；西安市建設(shè)科技項目(SJW2014012)

2015-11-11修改稿收到日期：2015-12-28

張玥 女，博士，副教授，1978年生

U448.25

A