矮寨悬索桥桥址风环境观测系统及数据分析

金 磊,王修勇,廖建宏,陈政清

(1.湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;2.湖南省交通规划勘察设计院,长沙410008;3.湖南大学风工程研究中心,长沙410082)

以矮寨特大悬索桥为工程背景,介绍一种结合地形设计的山区峡谷高空风环境悬索吊挂式观测系统,利用它对桥址处的风环境进行长期监测,获得了桥址处峡谷地形风环境的相关参数。

1 矮寨大桥峡谷高空风环境悬索吊挂式观测系统

1.1 工程概况

矮寨大桥是吉茶高速公路上一座特大悬索桥,主跨1176 m,桥位属于典型的峡谷地形,平均坡角达40°,谷深330 m,桥梁结构柔性大,抗风要求高[2].为确保大桥在风荷载作用下的静动力性能以及为桥梁的抗风设计提供计算资料,桥位处的风场特性观测尤为重要.

1.2 观测系统布置及设计

为了观测桥面水平的风特征,设立了一个新型悬索吊挂式风环境观测系统如图1所示.该系统由两个EZD-IV型梯度测风站组成,其中一套为梯度峡谷测风站,测量桥面水平线附近的3个设定点的风向风速,该测风站在矮寨大桥上游侧距桥轴60 m处架设一根长达1300 m的钢丝绳,两端锚固点高出桥面标高80～100 m,分别在钢丝绳跨中布置1号、2号风速仪,安装在悬挂钢管两端,高差为10 m,四分点处布置3号风速仪,系统现场布置如图1所示.此外在峡谷底部距离地面约16 m的房屋上设立单测站,布置4号风速仪,测定一个点的风速风向.

系统设计时,在主钢丝绳上每隔5～6 m布置一个滑轮,滑轮下布置一根直径为8 mm钢丝绳,信号线、避雷线均固定在小钢丝绳上,当风速仪需要维修时,可以通过牵引小钢丝绳将装置拖到岸侧.为了避免大风时悬吊钢管发生大幅摆动,悬挂装置均采用上下长度相等圆管,通过在下部钢管内配重使其保持竖直,而且在整个外站系统中架设了太阳能电板和蓄电池,给测风系统供电[2].

图1 桥址风环境观测系统布置

1.3 数据采集与传输系统

各风速仪的信号通过信号线连接到控制箱内存储单元,存储单元将数据实时自动存储,采用专用IP地址并通过GPRS无线远程传输到实验室的计算机上,监测系统观测界面如图2所示,传输到计算机终端的数据按每小时一个文件保存,以备后续的数据处理,实现了实时远程控制采样高[3].

图2 远程数据采集系统观测界面

2 风环境数据处理及其分析

2.1 风速观测成果及分析

本文参考文献[4]对2009年1月至2009年12月数据进行初步分析.实测得到的桥位处的各月瞬时最大风速、10 min平均最大风速如图3、图4所示.极大风速分别为为20.3 m/s、20.0 m/s、21.2 m/s、14.1 m/s;1～4号风速仪10 min平均最大风速分别为为 9.013 m/s、8.918 m/s、9.514 m/s、6.283 m/s.极大风速主要出现在8月,10 min最大平均风速主要出现在10月份.

2.2 风向观测成果及其分析

风玫瑰图也叫风向频率玫瑰图,它是根据某一地区多年平均统计的各方风向和风速的百分数值,并按一定比例绘制.下面以4号风速仪的计算结果为例,绘制图5所示的2009年单测站风向玫瑰图.

很明显风向集中的方位在N至NNE之间,其次在SSW至SW之间.全年NNE方向的风向频率达到了16.6%,SSW方向的达到了12.8%.从原始风速风向数据看,在每个月最大风速对应的风向东北、西南两个方位都有出现,最大风速风向主要集中于风向频率高的NNE,SSW方位.这个方向大致与峡谷走向一致,即与桥轴线垂直方向一致.由此可见矮寨大桥桥址特殊的地形对风向影响很大,峡谷走向基本可以确定风向频率最大的方向.

2.3 地面粗糙度估算

地面粗糙系数与各个风速仪处离地面高度有关,根据索两端地锚处的标高及观测系统设计时主索垂度约100 m,即可确定各风速仪距峡谷底距离.各风速仪竖向高度和10 min平均最大风速见表1.

表1 各测站竖向高度及10 min平均最大风速

地面粗糙系数的求解根据各个风速仪的10 min平均风速来确定,根据2008年度观测系统的实测数据,选择了四个风速仪平均风速均大于0.5 m/s、0.8 m/s、1 m/s三种情况数据分别拟合 α值.风速沿竖直高度方向分布计算公式[5]:

式中:Z2为地面以上高度Z2处的风速;

Z1为地面以上高度处的风速;

α为地表粗糙度系数.

由(1)式得α的反算式:

图5 风向频率玫瑰图

矮寨悬索桥桥址风环境观测系统及数据分析

α值三种拟合结果分别为0.2208、0.1894、0.1855,拟合图如图6所示.由拟合结果初步可知,矮寨大桥桥址处地面粗糙度大概在0.18～0.22之间.

图6 地面粗糙系数拟合图

根据规范[6],吉首地区地面粗糙度类别为B类场地,值取值为0.16,明显偏小于根据实测数据拟合得出的范围.由此可见,矮寨大桥桥址为非标准地貌,对于山区峡谷这类场地,风特征复杂,不再符合一般规范.

3 结 语

(1)提出了一种利用高空风环境悬索吊挂式观测系统进行现场风观测的方法,其特点是不受现场地形限制,能测量桥面水平的风特征,采用无线远程数据传输,经济实用,对类似风环境观测具有一定的参考价值.

(2)通过对实测数分析,基本掌握了桥址风环境情况,桥面处瞬时最大风速达21.2 m/s,10 min平均分速最大为9.5 m/s,该风速远低于桥梁设计检验风速51.5 m/s;桥址处风向主要桥轴线垂直方向一致.这对大桥抗风设计和施工具有很大指导意义.

(3)根据实测数据拟合显示,桥址处地面粗糙系数范围α=0.18～0.22,介于B类和C类场地之间,不属于规范所指定的任何地表类别.

[1]张 玥,胡兆同,刘新建.西部山区地形的斜拉桥风场特性研究[J].武汉理工大学学报,2008,30(12):154-159.

[2]孙洪鑫,王修勇,陈政清,等.山区峡谷高空风环境悬索吊挂式观测系统[C].第十四届全国结构风工程学术会议论文集,2009.

[3]陈政清,李春光,张志田,廖建宏.山区峡谷地带大跨度桥梁风场特性试验[J].实验流体力学,2008,22(3):54-60.

[4]宋丽莉,吴战平,秦 鹏,等.复杂山地近地层大风特性分析[C].气象学报,2009,67(3):452-460.

[5]陈政清.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6]中交公路规划设计院.JTG/TD60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.