復(fù)雜地形橋位風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究

薛亞飛

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路建設(shè)也發(fā)展迅速。大跨、特大跨徑橋梁相繼在我國各地建設(shè)完成?？癸L(fēng)問題對(duì)于大跨徑橋梁非常重要。大跨徑橋梁橋址處風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)的確定對(duì)大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載以及抗風(fēng)性能的評(píng)估有著非常重要的影響。如果大跨徑橋梁橋址處地形較為復(fù)雜，則其橋址處的實(shí)際風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)會(huì)和橋梁抗風(fēng)規(guī)范中給出的出入很大，其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不能真實(shí)反應(yīng)橋址處實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)特性，從而不能正確地模擬橋址處風(fēng)場(chǎng)。

我國橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域的研究方法主要有：風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，橋址的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)是橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域最為直接且有效的研究方法。本文以山西臨猗黃河特大橋橋址處風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)的獲取為依托，來進(jìn)行復(fù)雜地形橋址處的風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)的實(shí)測(cè)研究。

1 風(fēng)特性實(shí)測(cè)儀器以及風(fēng)特性觀測(cè)塔高度的確定

在風(fēng)特性觀測(cè)儀器以及觀測(cè)塔高度確定前，對(duì)我國國內(nèi)已建成的多座大橋橋址處風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研，其中，蘇通長(zhǎng)江大橋觀測(cè)塔最高85m，各實(shí)測(cè)實(shí)例中常用風(fēng)特性觀測(cè)高度為10m、20m、30m、60m。根據(jù)國內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，給出臨猗黃特大橋橋址處觀測(cè)塔塔高取85m，風(fēng)特性觀測(cè)高度取10m、30m、50m、80m。其中，10m高度和80m高度處安裝了三維超聲風(fēng)速儀，10m、30m、50m高度處安裝了二維機(jī)械式風(fēng)速儀。

2 平均風(fēng)特性

平均風(fēng)的特性包括橋址處的基本風(fēng)速、風(fēng)速在高度方向上的分布規(guī)律以及主要風(fēng)向等。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的第19.5.2條規(guī)定對(duì)橋址處的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到平均風(fēng)速。其中，月平均風(fēng)速是以“天”為單位的子樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到各觀測(cè)層的子樣本的平均值，再對(duì)各觀測(cè)層在該月的各天的平均值進(jìn)行平均，從而得到該月份各觀測(cè)層的風(fēng)速的平均值。月極大風(fēng)速是對(duì)每天的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)以3s為時(shí)距，1s為步長(zhǎng)，對(duì)每個(gè)觀測(cè)層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“滑動(dòng)”平均計(jì)算，然后取各層風(fēng)速數(shù)據(jù)每天的最大值，從而得到當(dāng)天的極大風(fēng)速，最后取每個(gè)月每天的極大風(fēng)速的最大值作為該月的3s時(shí)距的極大風(fēng)速。月最大風(fēng)速是先對(duì)每天的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)以10min為時(shí)距，1min為步長(zhǎng)進(jìn)行“滑動(dòng)”計(jì)算得到每天的10min最大風(fēng)速，最后按照1個(gè)月為單位取當(dāng)月最大值，作為該月10min時(shí)距月最大風(fēng)速。

在氣象學(xué)中，常采用風(fēng)向玫瑰圖的形式來表示風(fēng)向發(fā)生的頻率分布，即風(fēng)向頻率分布圖。風(fēng)向玫瑰圖是基于某風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)向的百分比繪制而成，一般用8或者16個(gè)羅盤方位進(jìn)行表示，因?yàn)槠湫螤钕衩倒寤?，所以稱之為風(fēng)向玫瑰圖。風(fēng)向玫瑰圖可以直觀的表達(dá)出樣本數(shù)據(jù)的風(fēng)速分布情況。

在附近無建筑物遮擋的開闊地域，其風(fēng)速在豎直方向是沿著高度的增加逐漸增大的，風(fēng)速隨著高度的增高而增大的曲線稱之為風(fēng)速輪廓線。我國抗風(fēng)規(guī)范中引入風(fēng)剖面指數(shù)α來描述風(fēng)速在高度上的變化規(guī)律。

通過對(duì)實(shí)測(cè)期間數(shù)據(jù)的處理得出臨猗黃河特大橋觀測(cè)塔處距離地面10m、30m、50m、80m處的平均風(fēng)速分別為2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s。觀測(cè)到的最大風(fēng)速是18.3m/s，極大風(fēng)速是23.1m/s，均出現(xiàn)在80m觀測(cè)高度；橋址附近的風(fēng)向主要以東北風(fēng)為主風(fēng)向。分別以10m和80m處的實(shí)測(cè)風(fēng)速為基準(zhǔn)風(fēng)速推算得到觀測(cè)塔處的風(fēng)剖面指數(shù)為0.275和0.270，風(fēng)速的垂直變化基本符合規(guī)范規(guī)定的冪指數(shù)規(guī)律分布。

3 脈動(dòng)風(fēng)特性

風(fēng)的運(yùn)動(dòng)具有不規(guī)則的特性，風(fēng)向和風(fēng)速都是隨著時(shí)間的變化而變化的。脈動(dòng)風(fēng)的特征參數(shù)包括陣風(fēng)因子、紊流強(qiáng)度、紊流積分尺度以及功率譜等。下面通過對(duì)風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)的分析處理得到臨猗黃河特大橋橋址處的風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)的特征參數(shù)。

陣風(fēng)因子是表征脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)特征的參數(shù)之一，陣風(fēng)因子為瞬時(shí)風(fēng)速與平均風(fēng)速的比值。通過對(duì)橋址處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，得到10m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的陣風(fēng)因子平均值為：1.59、0.72、0.32，80m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的陣風(fēng)因子平均值為：1.24、0.36、0.23。通過與李愛群、鄧楊等人對(duì)潤揚(yáng)長(zhǎng)江大橋處、武站科等人在上海金融環(huán)球中心上的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的陣風(fēng)因子的對(duì)比可以看出，陣風(fēng)因子和風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境關(guān)系密切，所以對(duì)于不同的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)還是非常有必要的。

紊流強(qiáng)度是表征風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)，其定義為10分鐘時(shí)距脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速的均方根與脈動(dòng)風(fēng)水平方向平均風(fēng)速的比值。通過對(duì)橋址處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，得到橋址處10m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的紊流強(qiáng)度平均值分別為：0.25、0.18、0.13，其比值為1:0.73:0.54；80m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的紊流強(qiáng)度平均值分別為：0.12、0.1、0.09，其比值為1:0.88:0.73。橋梁抗風(fēng)規(guī)范關(guān)于脈動(dòng)風(fēng)順、橫、豎風(fēng)向的紊流強(qiáng)度推薦比值為1:0.88:0.5。規(guī)范中給出10m、80m高度處順風(fēng)向的紊流強(qiáng)度推薦值分別為0.17和0.13。本橋址處10m和80m高度處的實(shí)測(cè)紊流強(qiáng)度分別為0.25和0.12。10m高度處的紊流強(qiáng)度實(shí)測(cè)值高于規(guī)范推薦值，80m高度處的紊流強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和規(guī)范推薦值接近，說明離地面較近時(shí)，地面對(duì)紊流強(qiáng)度的影響較為明顯。

紊流積分尺度是表征氣流中的紊流旋渦的平均尺度，紊流積分尺度的大小決定了脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的影響范圍。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，得到橋址處10m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的紊流積分尺度平均值分別為：48.9m、35.8m、5.8m，80m觀測(cè)層處順、橫、豎風(fēng)向的紊流積分尺度平均值分別為：183.5m、111m、48.9m。橋梁抗風(fēng)規(guī)范給出了10m和80m高度處橫風(fēng)向和豎風(fēng)向的紊流積分尺度的基準(zhǔn)值：10m高度處為50m和20m，80m高度處為140m和70m。通過與規(guī)范給出的基準(zhǔn)值比較發(fā)現(xiàn)，臨猗黃河特大橋橋址處的風(fēng)場(chǎng)受周圍環(huán)境的影響較大。

功率譜密度函數(shù)是表征平穩(wěn)隨機(jī)的過程中主要數(shù)字特征，它表示紊流中各個(gè)頻率出現(xiàn)的概率的大小。我國的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》中給出脈動(dòng)風(fēng)功率譜的計(jì)算方法為：Simiu譜和Panofysky譜。通過對(duì)橋址處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，得出10m和80m處順、豎風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)的功率譜曲線與設(shè)計(jì)指南中推薦的功率譜擬合較好。10m和80m高度處的擬合結(jié)果相比較，80m高度處的功率譜的擬合程度要好于10m高度處的功率譜的擬合程度。

4 結(jié)語

通過對(duì)臨猗黃河特大橋橋址處風(fēng)場(chǎng)特性的實(shí)測(cè)研究，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）臨猗黃河特大橋橋址處平均風(fēng)速基本服從冪指數(shù)規(guī)律分布，風(fēng)剖面指數(shù)實(shí)測(cè)擬合值為0.27，介于規(guī)范推薦的C、D類地表之間。（2）10m高度處順、橫、豎風(fēng)向的陣風(fēng)因子平均值為:1.59、0.72、0.32，80m高度處順、橫、豎風(fēng)向的陣風(fēng)因子平均值為:1.24、0.36、0.23。（3）10m高度處的紊流強(qiáng)度實(shí)測(cè)值高于規(guī)范推薦值，80m高度處的紊流強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和規(guī)范推薦值接近。（4）橋址處10m高度處順、橫、豎風(fēng)向的紊流積分尺度平均值分別為：48.9m、35.8m、5.8m，80m高度處順、橫、豎風(fēng)向的紊流積分尺度平均值分別為：183.5m、111m、48.9m。（5）10m和80m高度處順、豎風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)的功率譜曲線與設(shè)計(jì)指南中推薦的Simiu譜和Panofysky譜擬合較好。