山區(qū)特大跨徑橋梁橋址處風特性實測研究

劉文韜, 李 磊, 衛(wèi)軼科, 黃 進, 韓坤林

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司, 重慶 400067)

我國西部地區(qū)以山地、高原、盆地為主,地形復雜且起伏大,該區(qū)域修建橋梁多需跨越山川溝谷,且跨度極大,懸索橋和斜拉橋成為建橋方案的首選。而索類橋梁的結構趨于柔性,其風敏感系數(shù)較大[1],西部地區(qū)同時受到季風和山地氣候的影響,復雜多樣的山區(qū)地形也致使橋位處風場特性的復雜性[2]。目前,國內(nèi)外對山區(qū)橋址處風場特性的認識多限于某特定橋型,現(xiàn)行規(guī)范[3]將地表對風速減弱作用的影響類型界定為4類,未明確界定山地風場特征。因此,開展山區(qū)地形大跨徑橋址區(qū)風場特性研究具有重要意義。

現(xiàn)場實測是把握風場特性最直接的方法之一[4]。目前眾多學者對山區(qū)橋址處的實測風特性研究已取得一定成果。YU等[5]利用位于深切峽谷中在建橋梁實測風速風向數(shù)據(jù),通過建立平穩(wěn)模型與非平穩(wěn)模型,分析了湍流強度、功率譜密度等風特性參數(shù),結果表明實測功率譜與Von Karman經(jīng)驗譜吻合良好;張明金等[6]基于位于山區(qū)峽谷地形中的大渡河大橋橋址處實測風數(shù)據(jù),研究了橋位處的平均風速、陣風因子等風特性,結果顯示橋位處的陣風因子高于規(guī)范中對于常規(guī)平原的推薦值;龐加斌等[7]結合位于鄂西山區(qū)的四渡河峽谷大橋?qū)崪y脈動風速時程數(shù)據(jù),分析了該山區(qū)橋位的平均風速風向、湍流強度、陣風因子和功率譜等湍流特性,研究表明湍流強度隨平均風速的增大而減小,山區(qū)峽谷風的湍流特性與規(guī)范推薦值差異較大;蔡向陽等[8]針對赤石大橋橋位的風特性進行了現(xiàn)場實測,對大風時段各測點的平均風速風向、湍流強度和陣風因子等風特性參數(shù)進行了分析,結果表明實測階段橋位處風速存在突變現(xiàn)象,湍流強度、陣風因子的變化趨勢基本一致。

目前,針對山區(qū)橋址處風場特性的研究仍不夠充分,未達到指導該區(qū)域橋梁抗風設計的定量要求。為此,本文基于山區(qū)某跨江特大跨徑懸索橋的結構健康監(jiān)測系統(tǒng),獲取了該橋跨中16 h的風速風向數(shù)據(jù),對其進行平均風特性及脈動風特性分析,并與規(guī)范值進行比較,以期為同類橋梁結構抗風設計提供依據(jù)。

1 工程概況

某特大跨徑跨江橋梁位于我國西南山區(qū),橋位地處河谷地貌,整體呈“U”字形,周邊地形以低山、丘陵為主。橋址處兩岸分別呈階梯狀和直線形,局部有陡崖。該橋為單跨雙塔懸索橋,橋跨布置為(247+1 020+280)m,主梁采用流線型扁平鋼箱梁。為實時把握橋梁結構的服役狀態(tài),該橋配備了結構健康監(jiān)測系統(tǒng),其主梁風速風向監(jiān)測點位于跨中處。

為研究該山區(qū)橋址處風速的脈動特性,本文選取橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中機械風速風向儀所測近半年來數(shù)值最大的16 h風速時程值進行分析,風速風向測點位于主梁主跨跨中橋面處,其高程為240 m,測點布置如圖1所示。在橋位風場實測過程中,規(guī)定以正北方向為0°,逆時針轉(zhuǎn)動為正方向?？v風向為南北方向,以北為正,橫風向為東西方向,以西為正。

單位:m

2 橋址區(qū)風場平穩(wěn)性檢驗

平穩(wěn)性檢驗是橋址區(qū)風場特性分析的基礎操作,其目的是檢查風速時程數(shù)據(jù)是否具有穩(wěn)定的分布特征,并根據(jù)檢驗結果選用合適的風特性分析模型。其中輪次分析法是檢驗數(shù)據(jù)平穩(wěn)特性的常用方法[9]。步驟如下:

2) 將連續(xù)出現(xiàn)的“+”和“-”記為一個輪次,將出現(xiàn)“+”的次數(shù)記為N1,出現(xiàn)“-”的次數(shù)記為N2,N=N1+N2,輪次總數(shù)為r;

3) 當數(shù)據(jù)量較大時,總輪次數(shù)r近似服從正態(tài)分布N(u,σ2),其中:

(1)

(2)

10 min時距縱向、橫向脈動風速平穩(wěn)性指數(shù)Z隨時間的變化如圖2所示,縱、橫向脈動風速平穩(wěn)性指數(shù)Z的統(tǒng)計參數(shù)如表1所示。由圖2和表1可知,10 min時距縱向、橫向脈動風速平穩(wěn)性指數(shù)Z隨時間未表現(xiàn)出明顯規(guī)律,整體隨機性較強,其中縱向、橫向脈動風速非平穩(wěn)數(shù)據(jù)占比分別為13%、30%,縱向、橫向脈動風速平穩(wěn)性指數(shù)Z最大值分別為4.30、5.49,其均值分別為0.96、1.55,說明橫向脈動風速的非平穩(wěn)性高于縱向脈動風速。綜上,本文采集到大部分時段風速處于平穩(wěn)狀態(tài),故后文對風速時程的脈動特性進行分析未采用非平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理方法。

(a) 縱向

(b) 橫向

表1 平穩(wěn)性指數(shù)統(tǒng)計參數(shù)

3 實測風特性分析

實測風特性分析為風致效應的估算提供了較精準的計算依據(jù)[10],其關鍵參數(shù)包括平均風速風向、湍流強度、陣風因子和功率譜密度等。

3.1 平均風速、平均風向

實測數(shù)據(jù)為風速和風向2個時程樣本,風速時程u(t)具有縱向、橫向分量,分別為ux(t)、uy(t),計算表達式如下:

ux(t)=u(t)cosφ(t)

(3)

uy(t)=u(t)sinφ(t)

(4)

式中:φ(t)為風向時程。

平均風速U和平均風向φ計算式如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

本文采用10 min基本時距得到平均風速U和平均風向角Φ,如圖3所示。由圖3可知,10 min時距平均風速在0.03 m/s～8.32 m/s范圍內(nèi)存在跳變波動,平均風向角保持平穩(wěn)波動狀態(tài)。

(a) 平均風速

(b) 平均風向

3.2 湍流強度

湍流強度是判定湍流強弱的指標,表示自然風中的脈動百分比,其表達式為:

(9)

式中:σi為脈動風速u(t)、v(t)的均方根;u、v為縱向、橫向脈動風速分量。

湍流強度隨平均風速變化及擬合情況如圖4所示。由圖4可知,各向湍流強度在低風速區(qū)段隨平均風速的增大而減小,在高風速區(qū)段隨平均風速的增大而趨穩(wěn),總體表現(xiàn)為隨平均風速的增大而減小?？v向、橫向湍流強度的各統(tǒng)計參數(shù)如表2所示。由表2可見,縱向湍流強度均值大于橫向均值,兩者比值為0.85,低于規(guī)范推薦值0.88。

3.3 陣風因子

陣風因子為陣風時距內(nèi)的平均風速最大值與基本時距內(nèi)平均風速之比,是設計最大陣風風速的依據(jù)之一。本文陣風時距為3 s,各向陣風因子表達公式如下:

(10)

(11)

各向陣風因子隨平均風速的變化及擬合情況如圖5所示。由圖5可知,各向陣風因子在低風速區(qū)段隨平均風速的增大而減小,在高風速區(qū)段隨平均風速的增大而趨穩(wěn)。各向陣風因子統(tǒng)計參數(shù)如表3所示。由表3可知,實測縱向陣風因子平均值為1.25,高于規(guī)范推薦值1.18,實測橫向陣風因子平均值為0.19,實測縱向與橫向陣風因子比值為1∶0.15。

(a) 縱向

(b) 橫向

表2 各向湍流強度統(tǒng)計參數(shù)

(a) 縱向

(b) 橫向

表3 各向陣風因子統(tǒng)計參數(shù)

3.4 湍流強度與陣風因子的關系

從圖4、圖5可見,湍流強度與陣風因子具有較高的相似度,近年來,眾多學者對此進行了研究[11-13],并推導得到兩者的關系式:

(12)

式中:T為平均風時距;tg為陣風時距;a、b為無量綱參數(shù)。Ishizaki[13]基于實測數(shù)據(jù)和理論推導得到了式(12)的各參數(shù)值,其中a取0.5,b取1.0。

縱向陣風因子隨縱向湍流強度變化情況如圖6所示。由圖6可知,縱向陣風因子與湍流強度具有較強的相關性。基于實測結果,本文以10 min平均風時距、3 s陣風時距,對縱向湍流強度與同時段的陣風因子進行了回歸計算,實測擬合曲線較Ishizaki推薦值偏小。擬合結果如表4所示。

圖6 縱向湍流強度隨實測縱向陣風因子變化

表4 實測湍流強度與陣風因子擬合

3.5 功率譜

脈動風功率譜可描述脈動能量在不同尺度渦旋中的分布狀況,是判斷脈動強度的重要手段[14]。Von Karman譜[15]是由Von Karman基于湍流各向同性理論建立的,表達式如下。

(13)

(14)

本文采用莫寧坐標對縱向、橫向?qū)崪y功率譜進行無量綱處理,并與Von Karman經(jīng)驗譜進行對比分析,結果如圖7所示。由圖7可知,縱向、橫向?qū)崪y功率譜在低頻區(qū)逐漸增大,在高頻區(qū)逐漸減小。縱、橫向?qū)崪y譜在低頻區(qū)均低于Von Karman經(jīng)驗譜,在高頻區(qū)與經(jīng)驗譜較為吻合。整體上看,Von Karman經(jīng)驗譜能夠描述實測數(shù)據(jù)的脈動特性。

(b) 橫向

4 結論

通過對山區(qū)特大跨徑橋梁風場的平均風速、平均風向、湍流強度、陣風因子、功率譜等實測風特性進行分析,并與規(guī)范推薦值比較,得到以下結論:

1) 各向脈動風速平穩(wěn)性指數(shù)Z隨時間未表現(xiàn)出明顯規(guī)律,橫向脈動風速的非平穩(wěn)性高于縱向脈動風速。大部分風速數(shù)據(jù)為平穩(wěn)樣本;實測風速時程平均風速具有跳變波動,但平均風向保持平穩(wěn)。

2) 各向湍流強度在低風速區(qū)段隨平均風速的增大而減小,在高風速區(qū)段隨平均風速的增大而趨穩(wěn)?？v向湍流強度均值大于橫向均值,兩者比值為0.85,低于規(guī)范推薦值0.88。

3) 各向湍流強度在低風速區(qū)段隨平均風速的增大而減小,在高風速區(qū)段隨平均風速的增大而趨穩(wěn),實測縱向陣風因子平均值為1.25,高于規(guī)范推薦值1.18。

4) 縱向陣風因子與縱向湍流強度具有較強的相關性,實測擬合曲線較Ishizaki推薦值偏小。

5) 縱向、橫向功率譜值在低頻區(qū)逐漸增大,在高頻區(qū)逐漸減小。Von Karman經(jīng)驗譜能夠描述實測數(shù)據(jù)的脈動特性。