山區(qū)深切河谷處鋼桁拱橋的風環(huán)境測量研究

李勇

摘 要：本文介紹了某位于山區(qū)深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處的風特性參數(shù)觀測方案，在距離施工塔吊10～90m的高度范圍內(nèi)，每隔10m布置1套風速/風向傳感器，對橋址處風環(huán)境進行長期實測。通過計算其平均風特性參數(shù)，得出了山區(qū)深切河谷地貌風環(huán)境與現(xiàn)行規(guī)范的不同，擬為該大跨度鋼桁拱橋后續(xù)的施工及運營維護提供依據(jù)。

關鍵詞：山區(qū)深切河谷；風場實測；大跨鋼桁拱橋；平均風環(huán)境

中圖分類號：TU198 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）08-0071-03

近年來，我國建造了多座大型拱橋，但其抗風問題卻未得到足夠的重視?，F(xiàn)行的《公路橋涵設計通用規(guī)范》（以下簡稱“橋規(guī)”）和《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（以下簡稱“風規(guī)”）中，并未專門給出大跨度拱橋的風荷載計算依據(jù)及相應的抑振措施，國內(nèi)相關報道也主要是研究懸索橋與斜拉橋的風振問題。而拱橋的剛度相對更高，抗風性能與其他柔性橋梁截然不同。此外，目前的大多數(shù)研究均是橋址位于平原地區(qū)，幾乎沒有針對山區(qū)深切河谷地貌處大跨度拱橋的相關報道。因此，本文對我國西南山區(qū)一座深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處進行了長期風環(huán)境實測，擬為后續(xù)風荷載計算提供依據(jù)，指導同類橋梁的抗風設計。

1 工程背景

某上承式鋼桁拱橋凈跨徑400m，凈矢高80m，矢跨比1/5，孔跨為：，其設計圖如圖1所示。

橋址區(qū)地表為緩陡相間的折線型斜坡，最大地面標高318m，河底標高為90m，相對高差達228m，切割深度較大。南岸山脊自然坡度為350～410，北岸山脊坡度約為650～750。因此，該橋位地形屬典型的深切河谷地貌，如圖2所示。

2 風環(huán)境實測方案

風特性測量設備采用風速風向儀，包括風速/風向傳感器、采集儀、氣象軟件三部分。將風速風向儀安裝到交界墩旁的塔吊上，分別在離塔吊底腳10～90m高度處安裝9個風速和風向傳感器，分別以#1～#9測點表示，如圖3所示。

采集儀連接到計算機進行風速風向數(shù)據(jù)的自動采集，采集頻率1Hz，觀測時間為2015年1月～2016年12月，為期兩年。

3 實測結果

對于數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)，首先進行預處理，剔除無效數(shù)據(jù)。然后按《風規(guī)》計算平均風特性，包括平均風速的大小和方向、基本風速、風速沿高度的分布廓線等。

3.1 平均風速和風向

由于觀測儀采集到的風速數(shù)據(jù)為三維序列，因此采用矢量分解法可分別得到水平平均風速和風向角。限于篇幅，圖4只給出了橋址處1#和9#測點在2016年1月份的風速測量結果。按照《風規(guī)》，平均風時距為10min。通過對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，便可以得到每個月的10min時距平均風速和風向，其統(tǒng)計結果見表1。

由表1，橋址處全年的月平均風速最大值發(fā)生在6～8月份，其平均風向約為358°～359°，這主要是由于我國處于亞熱帶季風氣候帶，夏季季風大，盛行偏南風。除6～8月份外，全年其余月份的平均風速均在14m/s左右（9#測點）、10m/s左右（1#測點），風向角約為20°左右。

為進一步分析全年風向的概率分布情況，本文運用數(shù)理統(tǒng)計的分析方法得到了圖5所示的冬季和夏季的風玫瑰圖。比較圖5（a）和圖5（b），橋址處風向集中在NNE至E之間，另外，在SSE至S之間，主導風向為東北風和東南風。該方向大致與深切河谷的走向一致，說明橋址特殊的地貌環(huán)境對平均風向的影響很大。夏季最大概率風向為ENE，達到48.7%，冬季最大概率風向為NNE，為49.2%，二者基本一致，說明該橋址處風向概率分布受季節(jié)的影響較小。

3.2 基本風速

根據(jù)兩年的實測數(shù)據(jù)，由上述算式計算出橋址處100年重現(xiàn)期的基本風速為31.8m/s。而根據(jù)我國《風規(guī)》，橋址所在地區(qū)的百年重現(xiàn)期基本風速為27.5m/s?？梢姡F(xiàn)行規(guī)范低估了該橋橋址處的基本風速，這主要是由于現(xiàn)行規(guī)范針對的是開闊平坦地貌，而本橋橋址處屬于典型的深切河谷地貌。另一方面，這也說明對于特殊地貌進行風環(huán)境實測的重要性。

3.3 風速廓線

通過對比1# ～ 9#測點在同一月份10min時距平均風速的變化曲線，圖6給出了2016年第一季度至第四季度平均風速沿高度的變化情況，即風速廓線。

由圖6可見，本橋橋址處的全年各月份的風速廓線均不嚴格遵守我國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》所建議的指數(shù)律或?qū)?shù)律關系，平均風速最大值發(fā)生在70m高度處，而非指數(shù)律或?qū)?shù)律分布所對應的頂部。這主要是受深切河谷地貌的影響，河道范圍內(nèi)既存在大氣漩渦的水平運動，又存在豎直運動，二者互相影響，對近地面風環(huán)境造成了強烈的擾動。上述現(xiàn)象明顯區(qū)別于規(guī)范所針對的平坦地貌，其以漩渦的水平運動為主，風速廓線基本遵守指數(shù)律或?qū)?shù)律的分布關系。由此可見，對于山區(qū)深切河谷這類明顯區(qū)別于開闊平坦環(huán)境的地貌類型，進行橋址抗風研究時，其風速廓線應通過現(xiàn)場觀測來確定，以免盲目參考現(xiàn)行規(guī)范所導致的不可靠研究結果。

4 結論

本文對某位于山區(qū)深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處風環(huán)境參數(shù)進行了長期現(xiàn)場實測研究表明：

（1）橋址處月平均風速最大值發(fā)生在6～8月份，平均風向約為3580～3590，主要是受亞熱帶季風氣候影響所致。橋址處主導風向居于NNE至 E之間，與深切河谷的走向一致，說明橋址特殊的地貌環(huán)境對平均風向的影響很大。

（2）橋址處100年重現(xiàn)期下的基本風速為31.8m/s，高于現(xiàn)行規(guī)范的計算值，主要是由于規(guī)范針對的是開闊平坦地貌，而本橋橋址處屬于典型的深切河谷地貌，這也說明對于特殊地貌進行現(xiàn)場實測的重要性。

（3）橋址處平均風速最大值并非發(fā)生在最高處，其沿高度的分布明顯區(qū)別于現(xiàn)行規(guī)范所建議的指數(shù)律或?qū)?shù)律，因此對于山區(qū)深切河谷這類明顯區(qū)別于開闊平坦環(huán)境的地貌類型，其風速廓線應通過現(xiàn)場觀測來確定。

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