西部山区U型峡谷桥位处风场特性实测研究★

柯 勇，裴 城

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041； 2.西南交通大学，四川 成都 610031)

“交通强国”是我国的重要战略目标，为实现这一宏伟目标，我国公路、铁路建设发展迅速，而我国西部地区山区众多，在我国西部山区建设大跨度桥梁跨越深切峡谷具有重要的现实意义[1]。而西部山区山岭褶皱紧密，断层成束，地形起伏，地貌复杂，山岭多雪峰冰川，垂直温差大，因此小区域环流及定时风等特点相当突出，山区峡谷风场环境不但受大气季风环流的控制，而且还受到海拔高度、局部地形、昼夜温差等因素的影响，表现出不同于平原和沿海地区的风场特性[2]。特殊的山区峡谷风场导致桥梁风荷载以及风致响应特征显著不同于平原和沿海地区，目前，国内各类设计规范均是适用于平坦地形地貌的风场条件，如继续按照抗风规范中的风场建议取值，对桥梁结构的安全性和耐久性将带来隐患[3]。

桥梁施工技术和施工设备的进步促进了越来越多的大跨度悬索桥的建设，然而大跨度悬索桥梁结构轻柔容易受到风的影响[4]。因此，当前的研究目的在于准确估计风特性，以研究桥梁的风致振动响应。目前，通过对桥梁断面的改变以及提高断面的刚度，基本上可以预防桥梁在设计使用期限内发生涡振以及颤振问题。由于桥面宽度的增加，由脉动风场引起的抖振不容忽视，而山区风场的基本特点是脉动性较强。桥位处风场特性是大跨度缆索桥抗风设计的基本依据，而桥位处风场实测是最直接有效的手段[5]。庞加斌等[6]在四渡河大桥所处峡谷建立测风塔对峡谷风场进行实测，结果发现峡谷风攻角离散度高、均值偏大，而紊流积分尺度低于平原及沿海地区。张明金和李永乐等[7]对大渡河大桥桥址区的风特性进行了现场实测，发现桥位处的阵风系数和地表粗糙度系数均比相关规范中常规平原地区的推荐值大；任万敏等[8]发现山区风场短时内有较强的非平稳特性，对山区超大跨度桥梁建设应进行非平稳响应研究。

本文基于西部山区一典型U型峡谷，通过设立测风塔进行长时间的风场实测，得到了山区U型峡谷平均风特性和脉风特性，该实测结果可为山区风场研究提供参考。

1 风场实测仪器及布置

桥址南岸分别架设了高度50 m和30 m的测风塔(见图1)。其中50 m测风塔包含了2台三维超声风速仪和5台螺旋桨机械风速仪，30 m测风塔包含3台螺旋桨机械风速仪(见图2)，两种仪器相辅相成，保证每个测点数据的准确可靠。

2 风场参数数据处理

2.1 数据预处理

山区风场环境复杂，风速仪易受到周围环境噪声等因素影响，为了保证数据的连续性和精确性，首先利用莱茵达准则[9]剔除坏点，另一方面利用脉动风速谱判断数据的正确性[10]。

2.2 风参数计算方法

(1)

(2)

3 风场实测结果

3.1 平均风场特性

3.1.1 平均风速

对桥梁结构影响较大的为水平向平均风速，为清晰反映桥位处风速大小的分布规律，我们选取水平向平均风速较大的日期列入表2中，并对这些数据进行分析。

表1 风场相关参数的计算公式

表2 大风天日期

从图3可以得到，桥位处一天内横向风速分布规律为：12:00～24:00风速较大，而其他时间风速较小，具有明显的时间规律，这种现象很可能由于当地阳光照射地表加热，引起局部对流所致；顺桥向无明显规律，全天任意时刻均有可能出现较大的风速，但下午出现频率稍稍多一些。

3.1.2 平均风向

风向变化情况采用风向玫瑰图表示。观测期间平均风场的各层风向规律基本一致，主导风向为西北风和东风，为清晰反映桥位区主导风向分布情况，50 m测风塔50 m处的超声风速仪结果如图4所示。平均风向和峡谷走势相同。

3.1.3 平均风攻角

风攻角指风的来流方向与水平面之间的夹角，它是由于不均匀的地形起伏使得气流被强制抬升或下沉产生，其次，在一些特殊天气情况下如热带风暴、龙卷风等也可能导致风攻角的变化。风攻角对柔性结构尤其是大跨度柔性结构的影响尤为突出，风攻角的长期作用会加速结构的疲劳破坏；强风时，风攻角的改变可能造成结构的突然损伤或破坏。50 m测风塔50 m处的超声风速仪结果如下。从结果来看，风攻角的变化范围很大，而风速越大风攻角越接近于0(见图5)。

3.2 脉动风特性

3.2.1 脉动风速谱

同样脉动风速特性仅列出了50 m测风塔50 m高度处超声风速仪的结果。公路桥梁抗风设计规范中[11]推荐高度为Z，平均风速为U(Z)的顺风向和竖向脉动风功率谱密度分别采用Simiu谱和Panofsky谱，将实测谱与Simiu谱和Panofsky谱进行比对,如图6所示，从图6中可以看出实测谱与Simiu谱和Panofsky谱都很接近，特别是Panofsky谱与实测谱几乎一样。其中实测谱在低频率段和Simiu谱很接近，但是在一定的频率范围内实测谱偏小，分析原因有两个：一是测风塔接近谷底，受周围地形、植被和建筑物等的干扰较大；二是数据处理时，实测风速很小，平均风速超过10 m/s的情况屈指可数，采用的截断风速为5 m/s，低风速不稳定。

3.2.2 紊流积分尺度

通过对整个观测期数据进行处理，对湍流积分尺度分析，观测期内桥位处三个方向上紊流积分尺度的平均值为：Lu=128.54，Lv=125.81，Lw=37.06。可见顺风向紊流积分尺度最大，横风向次之，竖向积分尺度最小。同时和沿海及平原地区相比，U型峡谷紊流积分尺度较小。

3.2.3 紊流强度

在测量周期内，其三个方向的平均值分别为Iu=0.194,Iv=0.173，Iw=0.110。因此Iu∶Iv=1∶0.89，与桥梁抗风设计规范中建议的0.88相比，实测结果与规范给定值非常接近，而Iu∶Iw=1∶0.57，与桥梁抗风设计规范中建议的0.50相比，实测结果比规范给定值略微偏高。

4 结论

本文为研究西部山区峡谷桥位处风场特性，通过设立测风塔进行时长为一个月的风场现场实测，结果表明：1)山区U型峡谷风速变化剧烈，在测量期间，风速较大值均出现在12:00～20:00，有明显的规律性。2)而在观测期，主要风向始终与峡谷走向保持一致。这表明，在山区峡谷中所建桥梁面临的风偏角将主要由桥轴线和峡谷走向的夹角所决定。3)山区U型峡谷风攻角受地形影响较大，风攻角变化范围较大，同时风攻角随风速的增大而减小，出现明显的“集中效应”。4)山区U型峡谷脉动风特性与沿海地区有所不同，同时脉动风谱、紊流强度等风参数与规范建议值有所区别。因此在设计山区峡谷大跨度桥梁时，应对其风场展开专项研究。