不同規(guī)模地形模型對某山區(qū)橋梁設(shè)計風特性確定的影響

劉黎陽, 張志田, 汪志雄, 汪 磊

(1. 云南省交通投資建設(shè)集團有限公司, 昆明 650228; 2. 海南大學土木與建筑工程學院, 海口 570228; 3. 湖南大學土木工程學院, 長沙 410082; 4. 云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 昆明 650041)

0 引 言

中國中西部高速公路網(wǎng)的建設(shè)過程中，不可避免地會出現(xiàn)許多跨河、跨深切峽谷的大跨度橋梁。大跨度橋梁是柔性結(jié)構(gòu)，對風效應(yīng)敏感，因此抗風設(shè)計是保證這些大跨度橋梁安全的必不可少的環(huán)節(jié)。中國《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)[1]將橋梁所處的風環(huán)境分成4類。根據(jù)這4類場地，結(jié)合該地區(qū)的基本風速可得到橋面高度處的設(shè)計風速?！豆窐蛄嚎癸L設(shè)計規(guī)范》隱含了一個基本假定，即將地表特征如平坦的海面、起伏的山丘、林立的高樓等對大氣邊界層的影響等效成一種宏觀的表面粗糙度，從而影響邊界層內(nèi)的平均風速分布梯度。這種處理方式在大范圍內(nèi)是有統(tǒng)計意義的，但不能處理局部風特性的問題。中國西部山區(qū)橋梁，或跨越非典型的山口，或跨越深切峽谷，所處地形千變?nèi)f化，具有明顯的局部風特性，因此橋址的設(shè)計風特性(如平均風速、湍流度、風迎角特性等)無法從《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》中得到合理取值。當前，山區(qū)大跨度橋梁合理設(shè)計風特性的取值仍然是一個沒有解決的問題。

針對特殊地形下的風特性，國內(nèi)外研究者進行了一系列的研究。Miller與Davenport等[2]率先對山區(qū)復雜地形中的風速加速效應(yīng)特性做了一系列研究；Sierputowski等[3]、Bullard等[4]用簡化的梯形狀山體制作了山谷模型并進行了風洞試驗。該研究對于位于地表主平面之上的山谷風特性具有一定的參考意義，但對位于地表主平面之下的深切峽谷無參考價值。Takahashi等[5]研究了一孤立山體周圍的風特性，結(jié)果表明山頂?shù)娘L速加速效應(yīng)受山體粗糙度(植被覆蓋程度)的影響。Kondo[6]、Lubitz[7]等則研究了沿一個孤立的簡單山坡上的風速分布特性。Bowen[8]利用簡單的山包線性排列成連續(xù)起伏的地形并進行了試驗研究，結(jié)果表明山體對風場的影響遍及任意方位，其影響范圍至少是2倍的山體直徑。Yamaguchi等[9]針對實際復雜地形制作模型進行了風洞試驗研究，結(jié)果表明在復雜地形區(qū)域很難應(yīng)用規(guī)范中的指數(shù)規(guī)律來描述平均風特性，也不能依照公式從低海拔處的湍流特性推出高海拔處的湍流特性。陳政清等[10]采用地形模型試驗方法對矮寨大橋的設(shè)計風特性進行了研究，結(jié)果表明橋址的風迎角、湍流度、風譜等與規(guī)范取值存在明顯差異。白樺等[11]對三水河大橋進行了地形模型試驗研究，結(jié)果表明該橋址沒有明顯的峽谷效應(yīng)，但湍流度大。張玥等[12]對禹門口黃河大橋進行了地形模型試驗研究，結(jié)果表明橋面風特性與規(guī)范結(jié)果差異明顯。Li 等[13]對處于深切峽谷地帶的龍江大橋進行了地形模型試驗研究，結(jié)果表明平均風剖面從谷底往上變化復雜，必須分階段進行描述。

在山區(qū)橋梁的抗風研究中，設(shè)計風特性常通過地形模型風洞試驗來確定。地形模型風洞試驗本身無法定量地確定設(shè)計風速值的大小，但通?？梢源_定平均風速分布的定性規(guī)律、風迎角以及基本的湍流特性。然而，地形模型所覆蓋的范圍總是有限的，不同范圍大小的地形模型對橋址的風特性試驗結(jié)果必然存在影響，但影響有多大，地形模型范圍應(yīng)當取多大是一個尚待研究的問題。

1 地形模型試驗

1.1 模型制作

圖1為某懸索橋的立面設(shè)計方案，該橋主跨約920m，跨越典型的深切峽谷。圖2為該橋橋址Google地形，圖中實線表示加勁梁位置。該橋址的峽谷兩岸為起伏不大的丘陵地貌。在垂直橋軸線的上游，峽谷走向接近正北方向；在下游，峽谷走向為東南方向。

圖1 某懸索橋立面設(shè)計方案

由圖可知，該橋所在環(huán)境的局部風特性非常明顯，根據(jù)中國《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》無法給出合理的設(shè)計風特性(如風迎角、湍流度和平均風速等),因此，地形模型試驗結(jié)果可提供有價值的參考。為研究不同規(guī)模地形模型對試驗結(jié)果的影響，制作4組不同規(guī)模的地形模型進行風洞試驗，主要測試加勁梁高度處的風特性。圖2分別給出4組不同規(guī)模的地形模型,表1給出了4組模型在東西(EW)、南北(SN)方向所覆蓋的實際地形跨度，其中最大的A模型覆蓋地形范圍水平投影面積為25km2，最小的D地形模型僅覆蓋1km2。地形模型縮尺比為1∶1000，A、B、C、D 4組模型在風洞中的阻塞比分別為8.8%、8.8%、3.9%和1.2%。圖3給出了4組地形模型在風洞中的照片。

圖2 4組不同地形模型的規(guī)模

圖3 風洞中的4組地形模型

表1 4組模型的地形跨度Table 1 Terrain spans in the 4 models

以橋軸線所在位置處的峽谷寬度與高度的平均值為特征尺度，對地形模型無量綱尺度η定義如下：

(1)

根據(jù)本文定義的橋位處峽谷的特征尺度與式(1)可得到4組地形模型的無量綱半寬度、從橋中心到東邊以及西邊的無量綱距離，如圖4所示。

圖4 地形模型的無量綱尺度

1.2 風洞試驗

風洞試驗中，按B類場地采用尖劈+粗糙元的方法模擬無窮遠處的來流特性，如圖5所示。圖6給出來流模擬得到的平均風速剖面以及3個方向的湍流度剖面，其中，Iuu為順風向湍流度,Ivv為橫風向湍流度，Iww為豎向脈動風湍流度。采用2個眼鏡蛇探頭進行風特性測試，如圖7所示。眼鏡蛇探頭具有圓錐體的設(shè)計特點，可測試與探頭主軸夾角在±45°范圍內(nèi)的來流風速，該范圍內(nèi)風速測試的典型誤差為0.5m/s。探頭1固定放置于地形模型前風速穩(wěn)定的區(qū)域，并位于風速無明顯變化的高度范圍；探頭2安裝于風洞頂壁的電控移測架上，可前后、上下、左右移動，用于測試所關(guān)心位置的風特性。

圖5 來流風場模擬

試驗結(jié)果表明，來流風速一定的情況下，風向與河谷走向一致時,加勁梁高度處的風速接近最大。因此，東南(SE)方向為最不利風向工況。此外，SE風向時，由于氣流順著與風洞底板齊平的谷底進入，風特性受地形截斷的影響最小。鑒于這2個因素，以下固定SE風向來探討不同規(guī)模地形模型對試驗結(jié)果的影響。對于該風向，橋位到地形東端的無量綱距離將為影響風場特性的控制因素。由圖4可知，4組模型在該方向的無量綱跨度分別為5.20、3.70、2.20、0.75。

圖6 來流平均風及湍流度剖面

Fig.6Themeanwindandturbulenceintensityprofilesoftheincomingflow

圖7 眼鏡蛇探頭布置

2 平均風特性

2.1 平均風速特性

用眼鏡蛇探頭2所測得的山谷中的平均風速除以來流風速(探頭1所測風速,其位置見圖7)可得歸一化風速。圖8給出了左橋塔位置處歸一化的平均風速剖面。從圖中可知，A、B、C 3組不同范圍的地形模型所得到的結(jié)果已經(jīng)沒有明顯的規(guī)模效應(yīng)，表明3組模型的地形規(guī)模均已經(jīng)足夠大而形成穩(wěn)定的平均風剖面，其中A模型的結(jié)果位于B、C 2組模型結(jié)果之間。然而，最小的D模型所得到的結(jié)果與其他3組結(jié)果具有實質(zhì)性的區(qū)別，具體體現(xiàn)在兩方面：(1) 風剖面更陡峭，即風速沿高度上升得更快；(2) 風速數(shù)值明顯低于A、B、C 3組結(jié)果，峽谷風速增大效應(yīng)在D模型上基本消失。顯然，D模型的地形模型還不足以形成能夠反應(yīng)實際情況的平均風場。

圖8 左橋塔處歸一化風速剖面

圖9給出加勁梁幾個主要控制點以及2個橋塔塔頂?shù)臍w一化平均風速。從圖中同樣可以看出4組不同規(guī)模地形模型之間的差異。與垂直方向的風剖面類似，A、B、C 3組模型的測試結(jié)果比較接近，尤其是A、B 2組模型的結(jié)果已經(jīng)非常接近。但三者與D模型之間的差距明顯，主要體現(xiàn)在兩方面：(1) 風速差距明顯，最大達到30%左右；(2) 相比之下，D模型加勁梁3個控制點與兩塔頂?shù)娘L速差異不明顯。

圖9 主要控制點的歸一化風速

2.2 平均風迎角特性

圖10給出各控制點所測得的平均風迎角。由圖可知：(1) A、B 2組規(guī)模的地形模型所得到的結(jié)果已經(jīng)基本一致，C規(guī)模模型所得到結(jié)果在右側(cè)塔頂與A、B 2組模型有較大差異，其他點基本一致；(2) D模型測試結(jié)果與前3組模型差異明顯，集中體現(xiàn)在回勁梁跨中、右側(cè)四分點以及右橋塔頂；(3)與《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》建議的±3°風迎角相比，本文試驗所得風迎角遠超出規(guī)范建議的范圍。從較穩(wěn)定的A、B 2組模型的試驗結(jié)果來看，加勁梁位置處風迎角沿水平向變化劇烈，最大約為+2°，最小為-10°。

圖10 主要控制點的平均風迎角

3 湍流特性

3.1 湍流度特性

圖11給出了左橋塔位置處4組模型所測得的湍流度剖面。從圖中可知4組模型所得到的湍流度剖面各不相同，沒有因為地形規(guī)模的增大而收斂。這說明，就湍流度剖面而言，目前所使用的地形規(guī)模還不夠大。另一方面，D模型的湍流度剖面在高度50～350m之間基本沒變化，保持在9%左右，這一特征與另外3個剖面明顯不同。

圖11 左橋塔位置處湍流度剖面Iuu

圖12給出橋面高度處各控制點的湍流度。從圖中可知，對于順風向湍流度Iuu，A、B 2組模型已經(jīng)基本上取得較一致的結(jié)果，表明其規(guī)模效應(yīng)已接近“收斂”，而C、D 2組模型則因規(guī)模明顯不足而表現(xiàn)出與A、B 2組模型結(jié)果有較大差距。豎向脈動風湍流度Iww與順風向類似。在兩塔塔頂，A、B、C模型基本取得了一致的結(jié)果，表明3組模型的規(guī)模在塔頂均滿足“收斂”要求。但在加勁梁位置C模型與A、B 2組模型存在明顯的差距。相比之下，D模型的結(jié)果相差較大，表明其地形規(guī)模不能滿足要求。

3.2 湍流功率譜

圖13給出了左橋塔以及加勁梁跨中的脈動風功率譜。從圖中可知，左橋塔100m高處，4組地形模型得到的順風向脈動風功率譜沒有十分明顯的差異。相比而言，豎向脈動風功率譜相差較明顯。與Kaimal譜相比，順風向功率譜在低頻處相差較大，而豎向功率譜則有相同的趨勢。對于加勁梁高度處的脈動風功率譜，A、B 2組模型已經(jīng)十分接近，而D模型所得到的功率譜在高頻處與前三者有明顯的差距。

(a) Iuu

(b) Iww

(a) 左橋塔100m高度處順風向脈動風功率譜

(b) 左橋塔100m高度處豎向脈動風功率譜

(c) 加勁梁跨中順風向脈動風功率譜

(d) 加勁梁跨中豎向脈動風功率譜

4 結(jié) 論

本文圍繞某跨深切峽谷橋梁橋址制作了4組不同規(guī)模的地形模型并進行風洞試驗，針對最不利工況風向(東南方向SE)測試了橋址處的平均風以及湍流風特性。與A、B、C、D 4組規(guī)模的模型相對應(yīng)的地表實際水平投影面積分別為25、20、9和1km2，從4組模型的試驗結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1) 模擬面積大于9km2、從橋位往SE方向地形的無量綱跨度大于2.2后，橋址處的平均風速以及平均風迎角特性“收斂”，A、B、C 3組模型取得了較吻合的結(jié)果，明顯優(yōu)于最小模型的試驗結(jié)果。

(2) 4組模型所測得的湍流度剖面各不相同，沒有隨著模擬地形面積增大而“收斂”的跡象，表明模擬的地表面積仍然不夠。然而，對于橋面高度處的湍流度而言，橋位往SE方向地形的無量綱跨度大于3.7(面積大于20km2)的2組模型的試驗結(jié)果已趨于一致而“收斂”。

(3) 與平均風特性相比，湍流功率譜需要更廣闊的地形規(guī)模來達到“收斂”的結(jié)果。

(4) 山區(qū)的地形千變?nèi)f化，地形模型試驗已經(jīng)成為山區(qū)大跨橋梁抗風研究的一種常用手段。實際工程中每一座山區(qū)跨峽谷橋梁均有獨特的風環(huán)境，本文的研究結(jié)果雖不具備有普適性，卻定性表明地形模型必須具有足夠的規(guī)模才能得到有價值的風特性。