沿海開闊地區(qū)橋址風(fēng)速空間分布規(guī)律研究

孟園英，王 俊，李加武

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510335；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

我國沿海地區(qū)受臺風(fēng)和季風(fēng)影響[1-2]，強(qiáng)風(fēng)發(fā)生頻率高[3]。同時，大跨徑橋梁由于剛度低、阻尼小，屬于風(fēng)致敏感結(jié)構(gòu)，其抗風(fēng)性能需要重點(diǎn)關(guān)注。確定橋址處的風(fēng)速分布規(guī)律，是大跨徑橋梁抗風(fēng)性能研究的基礎(chǔ)[4-5]。

一般來說，有3類方法可用以研究橋址處的風(fēng)速分布規(guī)律，分別為現(xiàn)場實(shí)測[6-9]、數(shù)值模擬[10-11]和風(fēng)洞地形模型試驗(yàn)[12-15]?，F(xiàn)場實(shí)測可以獲取橋址處可靠的風(fēng)參數(shù)資料，但投資巨大，耗時耗力，一般觀測時間為1～3 a，且觀測位置有限，難以獲取橋址處多個位置長期的風(fēng)速資料；隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法也應(yīng)用得更加廣泛，其克服了現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測點(diǎn)有限的缺點(diǎn)，可以獲取計算域任意位置的流場信息，但是該方法的精度受到網(wǎng)格劃分、計算域設(shè)置、湍流模型等因素的影響，一般需要輔以現(xiàn)場實(shí)測或者風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)做驗(yàn)證；風(fēng)洞地形模型試驗(yàn)結(jié)合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，即可以設(shè)置多個監(jiān)測位置，便于設(shè)置工況，可操作性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于橋址處的風(fēng)速研究[14,16-17]。白樺等[12]設(shè)計了縮尺比1∶600的地形模型，通過對橋址處的地形模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)山區(qū)風(fēng)剖面不是均符合冪指數(shù)規(guī)律。王峰等[13]設(shè)計了縮尺比1∶3 000的地形模型，研究了峽谷地形橋址處的風(fēng)速變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)展向的風(fēng)速分布具有強(qiáng)烈的不均一性，且受來流風(fēng)向和測點(diǎn)位置影響明顯。Li等[14]設(shè)計了縮尺比1∶1 000的地形模型，發(fā)現(xiàn)峽谷橋址地區(qū)風(fēng)速變化不均一性強(qiáng)，橋塔位置風(fēng)剖面可進(jìn)行冪指數(shù)擬合，而主梁位置的風(fēng)剖面可進(jìn)行分段擬合。Song等[15]設(shè)計了縮尺比1∶2 000的地形模型，研究了橋址處的風(fēng)速變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)山頂加速效應(yīng)明顯。國內(nèi)外學(xué)者通過地形試驗(yàn)對橋址區(qū)的風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了一系列研究，得到了豐富詳實(shí)的研究成果，但是對試驗(yàn)結(jié)果的比較分析不夠深入，比如風(fēng)速和地表粗糙度系數(shù)，多是又針對試驗(yàn)結(jié)果做了一些闡釋。

本研究以洪奇門特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了沿海開闊地區(qū)橋址場地的風(fēng)速空間分布規(guī)律，然后通過試驗(yàn)結(jié)果修正了規(guī)范法和加權(quán)平均法的風(fēng)速值，并給出風(fēng)速建議值，最后從地貌分塊的角度初步探討了地貌特征和相對位置對測點(diǎn)地表粗糙度系數(shù)的影響。本研究有一定的應(yīng)用價值，對類似地區(qū)橋梁抗風(fēng)設(shè)計具有參考意義。

1 工程背景

洪奇門特大橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，位于廣東省廣州市南沙區(qū)的紅港村與團(tuán)結(jié)圍之間，橫跨洪奇瀝水道，橋面海拔高度約35 m，高于周圍建筑物和植被，橋梁主跨長520 m。橋址附近有成片的人工紅樹林，高度不超過10 m，周邊房屋分布較為零散，多為2～3層，每層高度約為3.6 m，總體來說橋址處地勢平坦，遮擋較少。橋址地形及橋型如圖1所示。

圖1 橋址地形及橋型示意圖

2 地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 地形模型設(shè)計

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率[18]以及模型縮尺比的要求[19]，以及盡可能考慮到順橋向風(fēng)參數(shù)的分布情況，因此，地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M橋址周邊方圓1.0 km 范圍的地形，如圖2所示，模型縮尺比為1∶500，模型半徑1.0 m。試驗(yàn)時模型周邊采用長度為0.25 m的斜坡板模擬地形的漸變。模型的底部高度相當(dāng)于海拔高度0 m，為洪奇瀝水道底部最低點(diǎn)海拔。模型平均高度小于0.1 m，阻塞率約0.1 m×2.5 m/(3.0 m×2.5 m)=3.3%<5%，阻塞效應(yīng)可以忽略。

圖2 地形模型

模型材料采用泡沫塑料板，其形狀根據(jù)等高線信息打印成型。橋址處地形等高線圖由設(shè)計院提供，比例為1∶1 000。

2.2 試驗(yàn)工況

地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)在長安大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。壓力測量系統(tǒng)由美國PSI公司電子壓力掃描閥、A/D板、PC機(jī)、以及自編的信號采集及數(shù)據(jù)處理軟件組成，電子壓力掃描閥頻率為312.5 Hz，其量程為±254 mm水柱，用于橋址關(guān)鍵位置壓力的測量。本研究各測點(diǎn)風(fēng)速由測壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來，滿足多點(diǎn)同步測量的要求。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的要求，以15°為間隔設(shè)計1個風(fēng)向角，共24個風(fēng)向角；另外，結(jié)合風(fēng)荷載計算需要，選擇橋梁主跨跨中和四分點(diǎn)位置和橋塔位置為測點(diǎn)，共5個測點(diǎn)，共計120個工況，用來研究主梁關(guān)鍵位置的風(fēng)速分布規(guī)律。風(fēng)向角與測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 風(fēng)向角及測點(diǎn)

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過分析得到各測點(diǎn)不同風(fēng)向角的風(fēng)剖面規(guī)律，并用冪指數(shù)律進(jìn)行擬合，由于篇幅有限，僅展示部分工況的風(fēng)剖面及其擬合結(jié)果，具體如圖4所示。

從圖4中可看出，不同測點(diǎn)和不同風(fēng)向角的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均能用冪指數(shù)函數(shù)擬合，與規(guī)范推薦的A類和B類風(fēng)剖面較接近；同時，由于相關(guān)系數(shù)R2越接近1.0表征擬合效果越好，可以看出以跨中測點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合的效果最優(yōu)，說明橋址處來流受地形特征干擾小，均能得到充分發(fā)展，與抗風(fēng)規(guī)范[18]推薦的冪指數(shù)規(guī)律吻合。不同測點(diǎn)處地表粗糙度系數(shù)的分布如圖5所示。

由圖4、圖5可知，測點(diǎn)位置和風(fēng)向角對地表粗糙度系數(shù)的影響不是很明顯，地表粗糙度系數(shù)大多小于0.16，占比70.8%；絕大部分小于0.22，占比97.5%；其中分布在0.12～0.16之間的占比50.0%，介于A類～B類地表類型之間。需要注意的是，跨中測點(diǎn)的地表粗糙度系數(shù)均值為0.116，標(biāo)準(zhǔn)差為0.016，低于A類地表類型的0.12，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。由橋型布置圖可知，跨中位于洪奇瀝水道，為平坦開闊水面，粗糙度低；其他4個測點(diǎn)的地表粗糙度系數(shù)接近0.160，是受到河道周圍樹林、房屋的影響。

圖4 典型風(fēng)速剖面及擬合結(jié)果

圖5 地表粗糙度系數(shù)分布

3 風(fēng)速取值分析

為了確定橋址處的風(fēng)速取值，使用規(guī)范法[18]和加權(quán)平均法[20]進(jìn)行風(fēng)速計算，然后在上一節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對風(fēng)速取值進(jìn)行比較和修正。

3.1 規(guī)范法

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的建議，根據(jù)中山市的風(fēng)速資料，偏保守地選定橋址處為A類地表類型，得到不同重現(xiàn)期橋梁的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速Us10，具體見表1。

表1 不同重現(xiàn)期橋梁設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速

3.2 加權(quán)平均法

一般而言，橋址處的地形條件與橋址附近氣象站的場地條件有所區(qū)別，特別是山區(qū)地形下，因此需要考慮不同粗糙度和不同標(biāo)準(zhǔn)高度之間的換算。相鄰不同場地且不同離地高度的風(fēng)速均值換算可采用指數(shù)律方法[20]，如式(1)所示：

(1)

式中，U和Us為橋址處的風(fēng)速和氣象臺的風(fēng)速;z和zs為橋址處的基準(zhǔn)高度和氣象臺的基準(zhǔn)高度;zg和zsg為橋址處的邊界層高度和氣象臺的邊界層高度;α和αs為橋址處的冪指數(shù)和氣象臺風(fēng)速觀測的冪指數(shù)。

此外，當(dāng)橋址處有3個或3個以上的氣象臺站時，可利用相鄰若干測站的基本風(fēng)速進(jìn)行加權(quán)平均計算，得到橋址處現(xiàn)場基準(zhǔn)高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。

考慮到加權(quán)因素比較復(fù)雜，簡單起見，僅考慮橋址與風(fēng)速測站之間的距離作為加權(quán)因素，一般采用如下加權(quán)平均方法[20]，如式(2)所示：

(2)

式中，m為橋址處氣象臺站的個數(shù);x,x1,x2,xm,xi分別為橋址處、第1個氣象站處、第2個氣象站處、第m個氣象站處、第i個氣象站處的基準(zhǔn)風(fēng)速；η1,η2,ηm,ηi分別為第1個氣象站處、第2個氣象站處、第m個氣象站處、第i個氣象站處與橋址處的距離權(quán)重。設(shè)第i個氣象臺站與橋址處的距離為di(i=1,2,…,m)，則有：

(3)

按照設(shè)計院給出的3個站點(diǎn)100 a重現(xiàn)期的最大風(fēng)速作為其基本風(fēng)速，首先計算3個站點(diǎn)的距離權(quán)重，再依據(jù)風(fēng)剖面服從冪指數(shù)律的關(guān)系，計算各站點(diǎn)的梯度風(fēng)速，然后由加權(quán)平均的方法得到橋址處的梯度風(fēng)速，最后換算到橋址處的設(shè)計風(fēng)速[20]，具體見表2。

表2 橋址設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速計算與修正

3.3 風(fēng)速修正

根據(jù)橋址處地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合橋梁特點(diǎn)和抗風(fēng)需求，偏安全地選取跨中的地表粗糙度系數(shù)為修正值，跨中處地表粗糙度系數(shù)α可取為0.116，小于A類地表規(guī)范值0.12，接下來使用試驗(yàn)結(jié)果來修正橋址處10 m高度處100 a重現(xiàn)期的設(shè)計基本風(fēng)速Us10。

首先，對于規(guī)范法，當(dāng)?shù)乇泶植诙认禂?shù)α為0.116時，小于A類地表規(guī)范值0.12，按在A類～B類之間進(jìn)行線性插值得到梯度風(fēng)高度H1：

(4)

根據(jù)規(guī)范可得出該地區(qū)100 a重現(xiàn)期內(nèi)的基本風(fēng)速U10=32.80 m/s，再根據(jù)式(1)，兩類地表的梯度風(fēng)高度風(fēng)速一致性可得：

(5)

U1s10=1.192 8U10,

(6)

U1s10=39.12 m/s,

(7)

式中，U1s10為換算的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。

最后，對于加權(quán)平均法，當(dāng)?shù)乇泶植诙认禂?shù)α為0.116時，類似地得到橋址處修正的風(fēng)速，如表2所示。

綜上所述，通過規(guī)范法和加權(quán)平均法得到洪奇門特大橋橋址10 m高度處100 a重現(xiàn)期的橋梁設(shè)計基本風(fēng)速，見表3，其中Us10采用規(guī)范A類地表粗糙度系數(shù)0.12，修正Us10采用地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)測定的地表粗糙度系數(shù)0.116。采用加權(quán)平均法得到的風(fēng)速為43.98 m/s，比規(guī)范推薦風(fēng)速高14.2%，兩者相差較大，原因可能是附近測站的氣象數(shù)據(jù)測量時間較短和地形更為平坦。通過地形模型試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速修正，得到的風(fēng)速均比規(guī)范數(shù)值和加權(quán)平均數(shù)值高1.7%，分別為39.12 m/s和44.67 m/s，原因可能是橋址跨中處的地形特征比A類地表更為平坦。

表3 設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速對比

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，加權(quán)平均法給出的數(shù)值過于保守，故在風(fēng)速取值上不考慮加權(quán)平均法的結(jié)果。進(jìn)一步考慮到地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范推薦的冪指數(shù)分布規(guī)律吻合效果良好，偏保守地以跨中試驗(yàn)結(jié)果來修正規(guī)范法的風(fēng)速值，故建議取洪奇門特大橋橋址10 m高度處100 a設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速值為39.12 m/s。另外，本研究表明沿海開闊地區(qū)的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)可能需要進(jìn)行修正。

4 非均勻地貌對地表粗糙度系數(shù)的影響

結(jié)合上一節(jié)內(nèi)容可知，跨中地表粗糙度系數(shù)最小值為0.09，均值為0.116，兩者均低于A類地表粗糙度系數(shù)0.12，導(dǎo)致跨中測點(diǎn)的修正風(fēng)速比規(guī)范給出的風(fēng)速提高1.7%；如果橋址處取B類地表，則100 a設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為32.80 m/s，風(fēng)速將提高19.4%。鑒于此，提出地貌分塊的概念，對橋址處的地形起伏程度、地貌特征，如建筑高度和密度、植被覆蓋率等方面，將橋址處地貌進(jìn)行分類分塊。本研究計劃從測點(diǎn)相對位置和小區(qū)域地形地貌特征的角度，借鑒第3節(jié)加權(quán)平均法的思路，初步探索沿海開闊地區(qū)局部地形地貌和相對位置對地表粗糙度系數(shù)的影響。

其基本步驟如下：

(1)根據(jù)地形等高線、地形分布特征等將其分為A(西南建筑)、B(中央水道)和C(東北樹林)3個區(qū)域，如圖6所示。

圖6 地貌分塊示意圖

(2)計算3個小區(qū)域的面積，標(biāo)定其形心位置，測量測點(diǎn)和形心之間的距離，如表5所示。

(3)根據(jù)規(guī)范建議，設(shè)定各小區(qū)域地形粗糙度指數(shù)初始值。

(4)使用加權(quán)平均法、式(2)、式(3)，分析測點(diǎn)相對位置和小區(qū)塊面積的權(quán)重系數(shù)。

(5)以跨中測點(diǎn)和兩側(cè)橋塔測點(diǎn)的地表粗糙度系數(shù)計算值與試驗(yàn)值最小相對誤差為目標(biāo)值，確定測點(diǎn)地貌面積權(quán)重和測點(diǎn)相對位置權(quán)重，初步得到相對位置和局部地貌對地表粗糙度系數(shù)的影響，如圖7所示。

圖7 地貌權(quán)重與誤差

由表4和圖7可知，地貌權(quán)重與誤差呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)?shù)孛矙?quán)重為0.58，位置權(quán)重為0.42時，地貌粗糙度指數(shù)計算值與試驗(yàn)值相對誤差最小，為0.01%。這說明在考慮地貌局部特征時，測點(diǎn)位置對地表粗糙度系數(shù)的影響也是不可忽略的，這也能較好地解釋5個測點(diǎn)的地表粗糙度系數(shù)相差較大的原因。建議在后續(xù)研究中，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化分析。

表4 地貌分塊參數(shù)

5 結(jié)論

為了研究沿海開闊地區(qū)橋址處的風(fēng)速空間分布規(guī)律，通過開展地形模型試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1)通過開展橋址區(qū)地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)橋址處地表粗糙度系數(shù)分布較為集中，大部分地表粗糙度系數(shù)分布在A類地表～B類地表之間，說明在沿海開闊地區(qū)，地形平坦，幾乎無遮擋，來流風(fēng)向和測點(diǎn)位置對風(fēng)速發(fā)展的影響較小。

(2)對比規(guī)范法和加權(quán)平均法，偏保守地選取跨中測點(diǎn)的地表粗糙度系數(shù)平均值進(jìn)行風(fēng)速修正，修正風(fēng)速較傳統(tǒng)風(fēng)速增加1.7%，可給出較合理的橋址10 m高度處100 a重現(xiàn)期的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。

(3)從地貌分塊的角度，根據(jù)地貌面積權(quán)重和測點(diǎn)相對位置權(quán)重，定量分析局部地貌特征和測點(diǎn)相對位置對地表粗糙度系數(shù)的影響，地貌權(quán)重比位置權(quán)重高16%。