深切峽谷橋址區(qū)高空風(fēng)特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

張明金 ，李永樂 ，余傳錦 ，吳聯(lián)活

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

山區(qū)風(fēng)是我國(guó)西部橋梁工程設(shè)計(jì)論證中必須考慮的重要因素.山區(qū)的風(fēng)特性參數(shù)在很大程度上決定了橋梁工程的造價(jià)，又嚴(yán)重影響著工程結(jié)構(gòu)的安全性.現(xiàn)代超大跨度橋梁和柔性結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究除了關(guān)注平均風(fēng)速外，通常脈動(dòng)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)抖振和渦振等效應(yīng)更引起工程領(lǐng)域的高度重視.因此，山區(qū)高空風(fēng)特性是進(jìn)行山區(qū)橋梁工程抗風(fēng)研究的基礎(chǔ).

目前針對(duì)深切峽谷地形地貌區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的研究主要有：理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法.其中：理論推導(dǎo)是對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，建立空氣運(yùn)動(dòng)方程和熱傳導(dǎo)方程，通過求解微分方程組得到相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)特征[1]，數(shù)值模擬通常是以理論推導(dǎo)公式為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)求解的一種分析方法[2]，無論是理論推導(dǎo)還是數(shù)值模擬均采用了一系列的假定邊界和計(jì)算模型，而這樣的簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致一定程度的失真[3].模型實(shí)驗(yàn)是借助風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，對(duì)關(guān)心的地形地貌進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室中的風(fēng)場(chǎng)模擬也具有一定的挑戰(zhàn)性.因此，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是目前比較有效也是采用較多的一種研究手段.宋麗莉、朱樂東、韓艷、劉明、李永樂、黃國(guó)慶、何旭輝等[4-13]通過在山區(qū)橋位處建立風(fēng)觀測(cè)站，對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形中的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了實(shí)測(cè).譚波、李永樂等[14-15]發(fā)現(xiàn)在西部高海拔高溫差山區(qū)每天下午均會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)的大風(fēng)，部分地區(qū)風(fēng)速可以達(dá)到10 m/s，但相關(guān)文獻(xiàn)中亦沒有對(duì)這種風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)特性進(jìn)行討論.截至目前，業(yè)界對(duì)山區(qū)橋梁橋址區(qū)風(fēng)特性的認(rèn)識(shí)還未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，特別是高空的風(fēng)特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)報(bào)道還較為少見.本文以龍江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)橋址區(qū)高空的風(fēng)特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析.

1 觀測(cè)概況

龍江大橋是保騰高速公路的控制性工程，大橋?yàn)橹骺? 196 m 單跨懸索橋，錨跨為320 m，跨徑組合為320 m + 1 196 m + 320 m，龍江大橋橋型布置如圖1所示.大橋的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）與騰沖岸索塔（西塔）的高度分別為178.7 m 與137.7 m.大橋設(shè)計(jì)線距離河谷底大約為285 m，河谷呈“V”型，橋址區(qū)地形地貌復(fù)雜，風(fēng)環(huán)境惡劣，加之該橋跨度大、橋塔高，結(jié)構(gòu)較為柔性，對(duì)風(fēng)的作用非常敏感.

圖1 龍江大橋橋型布置（單位：m）Fig.1 Arrangement of Longjiang Bridge （unit：m）

在大橋貓道跨中位置處布置了三維脈動(dòng)風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)離地高為295 m.該觀測(cè)點(diǎn)從2015年7月開始采集數(shù)據(jù)，對(duì)大橋加勁梁吊裝過程中的脈動(dòng)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)測(cè).本文以10 min 平均風(fēng)速大于3.4 m/s（陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4 級(jí)大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)）為基本條件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，共篩選出7 899 條有效的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)，圖2為三維脈動(dòng)風(fēng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)照片.

圖2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)照片F(xiàn)ig.2 Field measurement photos

2 風(fēng)特性分析

2.1 平均風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)攻角

貓道上跨中處典型大風(fēng)天3 個(gè)方向上（U1為南北方向，U2為東西方向，U3為豎向）的風(fēng)速時(shí)程見圖3，從圖3中可以看出，橋位處從凌晨一直到中午12:00 風(fēng)速均較小，中午12:00 以后風(fēng)速開始逐漸增大，最大風(fēng)速在8.0 m/s 附近波動(dòng)，大風(fēng)一直持續(xù)到晚上18:00 左右.橋址區(qū)大風(fēng)的起風(fēng)規(guī)律與文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]中的報(bào)道較為一致.

圖3 風(fēng)速原始數(shù)據(jù)（2015-07-14）Fig.3 Raw wind data （2015-07-14）

貓道上跨中處的平均風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)攻角的分布規(guī)律如圖4所示.

圖4 風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)攻角Fig.4 Wind velocity，direction and attack angle

從圖4（a）中可以看出，橋位跨中處的風(fēng)向以沿河道方向西南風(fēng)為主導(dǎo)，其它方向上出現(xiàn)大風(fēng)的概率相對(duì)較小，這是由于深切峽谷地區(qū)風(fēng)場(chǎng)受到兩側(cè)山體的影響較為明顯.圖4（b）為風(fēng)攻角和風(fēng)速的聯(lián)合分布，從圖中可以看出，跨中處隨著風(fēng)速的增加風(fēng)攻角的分布范圍明顯減小，風(fēng)速越低時(shí)風(fēng)攻角的分布范圍也越廣，但絕大部分風(fēng)攻角均在-10°～10° 之間.圖4（c）為風(fēng)攻角的概率分布，從圖中可以看出，風(fēng)攻角的概率統(tǒng)計(jì)均值為 -1.4°，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9°，在95%保證率的情況下，風(fēng)攻角的分布范圍為-9.0°～6.2°.

2.2 紊流強(qiáng)度

圖5為順風(fēng)向（u）、橫風(fēng)向（v）及豎向（w）紊流度隨風(fēng)速的變化情況.從圖中可以看出：風(fēng)速較低時(shí)3 個(gè)方向上的紊流度均較大，隨著風(fēng)速的增加紊流度明顯減??；風(fēng)速在10.0 m/s 時(shí)3 個(gè)方向上的紊流度分別為9.0%、8.6%、8.5%，它們的比值為1.00∶0.96∶0.89；高風(fēng)速時(shí)（風(fēng)速大于8 m/s）3 個(gè)方向上紊流度的變化不再明顯，橫風(fēng)向紊流度和豎向紊流度均較規(guī)范推薦的比值1.00∶0.88∶0.50 要大.

圖5 紊流度Fig.5 Turbulence scale

2.3 紊流積分尺度

對(duì)貓道上跨中處的紊流積分尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，從圖中可以看出：順風(fēng)向紊流積分尺度均值為284.6 m，標(biāo)準(zhǔn)差為198.1；橫風(fēng)向紊流積分尺度均值為223.6 m，標(biāo)準(zhǔn)差為130.5；豎向紊流積分尺度均值為240.3 m，標(biāo)準(zhǔn)差為150.6.紊流積分尺度均值比規(guī)范推薦值要大.3 個(gè)方向上的比值為1.00∶0.79∶0.84，這表明在觀測(cè)點(diǎn)處3 個(gè)方向上漩渦的尺度是基本相當(dāng)?shù)?由于跨中處的觀測(cè)點(diǎn)離地高達(dá)到了295.0 m，離兩岸山體的距離也均大于600 m，觀測(cè)點(diǎn)處受到地表山體的影響有所減弱，因此紊流積分尺度明顯變大.

圖6 紊流積分尺度概率分布Fig.6 Probability distribution of turbulence integral

2.4 功率譜

貓道上跨中處典型大風(fēng)天功率譜（2015年7月6日）如圖7所示，從圖中可看出，該段風(fēng)速時(shí)程在順風(fēng)向和橫風(fēng)向上的功率譜與Simiu 譜有所不同，特別是順風(fēng)向功率譜的低頻部分要明顯高于Simiu譜，豎向功率譜高頻部分明顯低于Panofsky 譜.

圖7 典型大風(fēng)天功率譜Fig.7 Power-spectrum densities of a typical windy day

分別采用式（1）、（2）和式（3）對(duì)所有順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向的實(shí)測(cè)功率譜進(jìn)行獨(dú)立擬合，然后對(duì)Au、Bu、Av、Bv、Aw、Bw6 個(gè)擬合參數(shù)的概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)模型采用正態(tài)分布概率模型，結(jié)果表明：順風(fēng)向的Au均值為12.0，Bu均值為21.4，橫風(fēng)向Av均值為12.4，Bv均值為17.7，規(guī)范中推薦的A值為33.33，B值為50；豎向的Aw均值為3.1，Bw均值為4.1，規(guī)范中推薦的Aw值為4.0，Bw值為4.0.水平順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向的功率譜較規(guī)范推薦值相比略有不同.

式中：Su（z，f）、Sv（z，f）、Sw（z，f）分別為脈動(dòng)風(fēng)水平順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向的功率譜密度函數(shù)；σ2u、 σ2v、σ2w分別為順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向脈動(dòng)風(fēng)速的均方差；f為頻率；fz為折算頻率；z為離地高度.

采用擬合均值為取定值可以得到橋址區(qū)高空處3 個(gè)方向的擬合功率譜，見式（4）～（6）.

貓道上高空處擬合功率譜與Simiu 譜、Panofsky 譜的對(duì)比如圖8所示，從圖中可以看出：水平方向低頻部分較Simiu 譜低，而高頻部分比Simiu 譜大；豎向功率譜所有頻率上均比Panofsky 譜略小，在山區(qū)受到山體的影響，其能量往高頻部分轉(zhuǎn)移.

圖8 功率譜對(duì)比Fig.8 Comparison of power-spectrum densities

3 結(jié) 論

（1）風(fēng)攻角與風(fēng)速存在明顯相關(guān)性，風(fēng)速越低，風(fēng)攻角的散布范圍也越廣，在95%保證率的情況下，風(fēng)攻角的分布范圍為-9.0°～6.2°.

（2）大橋高空紊流度均較規(guī)范推薦值要小，3 個(gè)方向上的紊流度比值趨于一致.

（3）大橋跨中受到地表山體的影響有所減弱，紊流積分尺度比規(guī)范推薦的山區(qū)紊流積分尺度略大，但仍小于平原地區(qū).

（4）由于受到山體的影響，順風(fēng)向和橫風(fēng)向的功率譜比較接近，低頻部分較Simiu 譜低，而高頻部分比Simiu 譜大，豎向功率譜所有頻率上均比Panofsky 譜小.