深切峡谷桥址区高空风特性现场实测研究

2019-07-11张明金李永乐余传锦吴联活

西南交通大学学报 2019年3期

张明金，李永乐，余传锦，吴联活

（西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

山区风是我国西部桥梁工程设计论证中必须考虑的重要因素.山区的风特性参数在很大程度上决定了桥梁工程的造价，又严重影响着工程结构的安全性.现代超大跨度桥梁和柔性结构的抗风研究除了关注平均风速外，通常脉动风引起的结构抖振和涡振等效应更引起工程领域的高度重视.因此，山区高空风特性是进行山区桥梁工程抗风研究的基础.

目前针对深切峡谷地形地貌区风场特性的研究主要有：理论推导、数值模拟、模型实验及现场观测等方法.其中：理论推导是对复杂地形进行一定的简化，建立空气运动方程和热传导方程，通过求解微分方程组得到相关的风场特征[1]，数值模拟通常是以理论推导公式为基础，借助计算机求解的一种分析方法[2]，无论是理论推导还是数值模拟均采用了一系列的假定边界和计算模型，而这样的简化会导致一定程度的失真[3].模型实验是借助风洞实验室，对关心的地形地貌进行模拟实验，但实验室中的风场模拟也具有一定的挑战性.因此，现场观测是目前比较有效也是采用较多的一种研究手段.宋丽莉、朱乐东、韩艳、刘明、李永乐、黄国庆、何旭辉等[4-13]通过在山区桥位处建立风观测站，对复杂山区地形中的风场特性进行了实测.谭波、李永乐等[14-15]发现在西部高海拔高温差山区每天下午均会出现规律性波动的大风，部分地区风速可以达到10 m/s，但相关文献中亦没有对这种风场的风特性进行讨论.截至目前，业界对山区桥梁桥址区风特性的认识还未达成统一的认识，特别是高空的风特性现场实测报道还较为少见.本文以龙江特大桥为工程背景，对桥址区高空的风特性进行现场实测与分析.

1 观测概况

龙江大桥是保腾高速公路的控制性工程，大桥为主跨1 196 m 单跨悬索桥，锚跨为320 m，跨径组合为320 m + 1 196 m + 320 m，龙江大桥桥型布置如图1所示.大桥的桥塔采用混凝土组合圆形截面，桥塔横梁采用箱形梁截面，保山岸索塔（东塔）与腾冲岸索塔（西塔）的高度分别为178.7 m 与137.7 m.大桥设计线距离河谷底大约为285 m，河谷呈“V”型，桥址区地形地貌复杂，风环境恶劣，加之该桥跨度大、桥塔高，结构较为柔性，对风的作用非常敏感.

图1 龙江大桥桥型布置（单位：m）Fig.1 Arrangement of Longjiang Bridge （unit：m）

在大桥猫道跨中位置处布置了三维脉动风观测点，观测点离地高为295 m.该观测点从2015年7月开始采集数据，对大桥加劲梁吊装过程中的脉动风数据进行了实测.本文以10 min 平均风速大于3.4 m/s（阵风风速达到4 级大风的标准）为基本条件对原始数据进行筛选，共筛选出7 899 条有效的风速时程数据，图2为三维脉动风传感器现场照片.

图2 现场实测照片Fig.2 Field measurement photos

2 风特性分析

2.1 平均风速、风向及风攻角

猫道上跨中处典型大风天3 个方向上（U1为南北方向，U2为东西方向，U3为竖向）的风速时程见图3，从图3中可以看出，桥位处从凌晨一直到中午12:00 风速均较小，中午12:00 以后风速开始逐渐增大，最大风速在8.0 m/s 附近波动，大风一直持续到晚上18:00 左右.桥址区大风的起风规律与文献[13]和文献[14]中的报道较为一致.

图3 风速原始数据（2015-07-14）Fig.3 Raw wind data （2015-07-14）

猫道上跨中处的平均风速、风向及风攻角的分布规律如图4所示.

图4 风速、风向及风攻角Fig.4 Wind velocity，direction and attack angle

从图4（a）中可以看出，桥位跨中处的风向以沿河道方向西南风为主导，其它方向上出现大风的概率相对较小，这是由于深切峡谷地区风场受到两侧山体的影响较为明显.图4（b）为风攻角和风速的联合分布，从图中可以看出，跨中处随着风速的增加风攻角的分布范围明显减小，风速越低时风攻角的分布范围也越广，但绝大部分风攻角均在-10°～10° 之间.图4（c）为风攻角的概率分布，从图中可以看出，风攻角的概率统计均值为 -1.4°，标准差为3.9°，在95%保证率的情况下，风攻角的分布范围为-9.0°～6.2°.

2.2 紊流强度

图5为顺风向（u）、横风向（v）及竖向（w）紊流度随风速的变化情况.从图中可以看出：风速较低时3 个方向上的紊流度均较大，随着风速的增加紊流度明显减小；风速在10.0 m/s 时3 个方向上的紊流度分别为9.0%、8.6%、8.5%，它们的比值为1.00∶0.96∶0.89；高风速时（风速大于8 m/s）3 个方向上紊流度的变化不再明显，横风向紊流度和竖向紊流度均较规范推荐的比值1.00∶0.88∶0.50 要大.

图5 紊流度Fig.5 Turbulence scale

2.3 紊流积分尺度

对猫道上跨中处的紊流积分尺度进行统计，如图6所示，从图中可以看出：顺风向紊流积分尺度均值为284.6 m，标准差为198.1；横风向紊流积分尺度均值为223.6 m，标准差为130.5；竖向紊流积分尺度均值为240.3 m，标准差为150.6.紊流积分尺度均值比规范推荐值要大.3 个方向上的比值为1.00∶0.79∶0.84，这表明在观测点处3 个方向上漩涡的尺度是基本相当的.由于跨中处的观测点离地高达到了295.0 m，离两岸山体的距离也均大于600 m，观测点处受到地表山体的影响有所减弱，因此紊流积分尺度明显变大.

图6 紊流积分尺度概率分布Fig.6 Probability distribution of turbulence integral

2.4 功率谱

猫道上跨中处典型大风天功率谱（2015年7月6日）如图7所示，从图中可看出，该段风速时程在顺风向和横风向上的功率谱与Simiu 谱有所不同，特别是顺风向功率谱的低频部分要明显高于Simiu谱，竖向功率谱高频部分明显低于Panofsky 谱.

图7 典型大风天功率谱Fig.7 Power-spectrum densities of a typical windy day

分别采用式（1）、（2）和式（3）对所有顺风向、横风向和竖向的实测功率谱进行独立拟合，然后对Au、Bu、Av、Bv、Aw、Bw6 个拟合参数的概率分布进行统计，统计模型采用正态分布概率模型，结果表明：顺风向的Au均值为12.0，Bu均值为21.4，横风向Av均值为12.4，Bv均值为17.7，规范中推荐的A值为33.33，B值为50；竖向的Aw均值为3.1，Bw均值为4.1，规范中推荐的Aw值为4.0，Bw值为4.0.水平顺风向、横风向及竖向的功率谱较规范推荐值相比略有不同.