山區地形的鋼桁拱橋風場特性研究*

揭 晶

在山區，由于地形、地貌情況變化急劇，使得風場分布非常復雜。現有的橋梁抗風規范僅適用于平坦地貌各向同性的風場條件，關于山區這類復雜地形、地貌，其風特性特征可能與規范規定值相差很大，需要通過現場實測才能正確獲得橋址處的風環境特性。作者以山區某大橋為工程背景，在該橋橋址處建立風特性觀測站，長時間實時觀測記錄該橋址處基本風要素(風空間速度矢量)的變化過程，將該數據作為研究西部山區近地風特性基礎。

1 大橋工程簡介

1.1 大橋工程概況

該大橋主橋為400 m跨上承式鋼桁拱橋，主橋拱座采用整體式鋼筋混凝土結構，底面設計成階梯形;主拱肋采用桁架結構，鋼桁高度為10 m等高;拱肋上下弦桿采用等截面鋼箱，內設縱向加勁肋，上下弦桿壁厚從拱頂至拱腳按受力要求變厚，桁架節點采用整體式節點。拱上橋面行車道結構采用鋼—混凝土組合梁，跨徑27 m，采用16跨連續結構，全聯長432 m。

1.2 橋址處氣象

該大橋橋址位于亞熱濕潤區，該橋址處的氣象具有以下特點:春天回春早，但不穩定，在這個季節經常出現低溫陰雨及寒潮;一年中夏季持續時間長、氣溫高，降雨量多而集中，有時還可能出現洪澇;秋季氣溫下降快，常陰雨連綿;冬季短，氣候溫和而少霜雪。多年平均氣溫18.4℃，極端最高氣溫43.1℃(7月)，極端最低氣溫-9.2℃(1月)，月平均最高氣溫29.5℃，月平均最低氣溫2.2℃。多年平均降雨量 1 049.3 mm，年最大降雨量1 356.0 mm，最大日降雨量199.0 mm。

2 橋址處風場實測數據分析

2.1 基本風速

基本風速代表了某地區范圍的風速大小，是橋梁抗風計算的基礎。我國公路橋梁抗風設計規范規定10 m高度處100年重現期10 min平均年最大風速為大橋抗風設計的基本風速，理論上應用基本風速可以計算同一地區不同類別場地或高度風速大小。

為了研究地形復雜的山區橋梁的風特性，在山區某大橋橋址處進行了一年半的現場實測，獲得了一年多的實測數據量，據此來計算該橋橋址處100年重現期下的基本風速，則結果不太可靠。為此，采用了僅需要較小樣本數量的跨閾值方法(越界峰值法)來進行推算，這樣在降低了最大風速權重的同時，有可能保留一年中較多的次最大風速，使在較短風速序列基礎上估計極值風速成為可能，因此可以得到該橋橋址處100年重現期下的基本風速為26.8 m/s。

2.2 湍流強度

湍流強度反映了風的脈動強度，它是描述大氣湍流的最簡單參數。根據橋梁抗風設計規范，湍流強度定義為10 min時距內脈動風速均方根與水平平均風速的比值。即I=σ/U。其中，σ為脈動風平均最大風速的均方根，U為平均最大風速值。

本次試驗獲得的風速樣本較多，為了便于分析，在數據處理中，先根據原始數據計算不同高度傳感器在10 min時距內縱橋向脈動風速 u(t)、橫橋向脈動風速v(t)和豎向脈動風速 w(t)的均方根與水平平均風速的比值，分別得到這三個方向的湍流強度，然后再通過加權平均得到每一天的湍流強度值;最后得到不同位置傳感器的湍流強度隨時間的變化規律，即湍流強度的時程曲線。從實測結果可以看出，對于這類山地地貌來說，風的脈動成分較大，下部傳感器測得的湍流強度最大超過了50%，即使是離拱腳90 m高度的上部傳感器，所測得的湍流強度最大也可達20%左右，其湍流強度遠大于相關規范值和平原地區的測量結果(底部20%，上部5%左右)，這種大湍流很容易引起橋梁結構的抖振響應。

2.3 陣風因子

風的脈動強度也可以用陣風因子來表示，陣風因子 G(tg)定義為陣風持續時間 tg內的平均風速最大值(結構風工程中一般取陣風持續時間為2 s～3 s)。

在數據處理中，先根據原始數據計算不同高度傳感器在陣風持續時間 tg內的平均風速最大值與水平平均風速的比值，分別得到這兩個方向的陣風因子，然后再通過加權平均得到每一天的陣風因子值;最后得到不同位置傳感器的陣風因子隨時間的變化規律，即陣風因子的時程曲線。從所得的分析結果中可以看出，對于此類山地地貌，在順風向，下部傳感器測得的陣風因子最大值發生在8月份，上部傳感器測得的陣風因子最大值發生在1月份;在橫風向，下部傳感器測得的陣風因子最大值發生在1月份，上部傳感器測得的陣風因子最大值發生在1，3月份。總體來看，在山區地貌下，風的脈動強度大，高于平原地區的測量結果。

3 結語

本文分析了山區某大橋橋址處的平均風與脈動風特性，包括該橋址處的基本風速，平均風速沿高度的變化規律，湍流強度特性和湍流功率譜等。結果表明:

1)該橋址處平均風速沿高度的變化規律不符合規范給出的指數分布或對數分布。

2)下部傳感器測得的湍流強度最大超過了50%，即使是離拱腳90 m高度的上部傳感器，所測得的湍流強度最大也可達20%左右，其湍流強度遠大于相關規范值和平原地區的結果。同樣，陣風因子的最大值也高出平原地區的結果。這說明對于此類山地地貌，風的脈動成分較大，容易引起橋梁抖振。因此，在進行橋梁抗風設計時需要特別注意。

[1] JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風設計規范[S].

[2] T.von Karman.Progress in the Statistical theory of Turbulence[Z].Proc Nat Acad Sci Washington D.C，1948.

[3] E.Simiu.Wind Spectra and Dynamic Along Wind Response[J].J Struct Div ，ASCE ，1974(100):58-60.

[4] 蔡丹繹，李愛群，程文鑲.順風向脈動風速功率譜密度函數的分析研究[J].江蘇建筑，1994(3):20-25.

[5] 謝以順.潤揚懸索橋橋址區實測強風特性的對比研究[J].空氣動力學學報，2009，27(1):20-23.

[6] 項海帆.現代橋梁抗風理論與實踐[M].北京:人民交通出版社，2005.