簡易峽谷地形模型風場特性試驗研究★

李春光 劉 熠

(1.長沙理工大學 橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心，湖南 長沙 410114；

·橋梁·隧道·

簡易峽谷地形模型風場特性試驗研究★

李春光1劉 熠2

(1.長沙理工大學 橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心，湖南 長沙 410114；

2.葛州壩集團第五工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

為了獲得橋址處于峽谷地形時的風場特性分布規律，采用圓錐形山體制作了具有不同谷坡斜率的系列簡易峽谷模型，并通過風洞試驗測試了其風場特性，最終得出了一些有參考價值的結論。

峽谷，風場特性，簡易模型，風洞試驗

西部大開發戰略實施的不斷深化對我國西部地區的交通基礎設施建設提出了迫切的需求。西部山區其固有的自然地形條件多崇山峻嶺，深溝寬谷，這種條件決定了大量的跨越深溝寬谷的大跨度橋梁需要修建。懸索橋、斜拉橋等柔性橋梁因其卓越的跨越能力受到了廣泛的青睞。目前已有多座千米級跨谷大跨度橋梁已建或正在修建。例如主跨1 176 m的湘西矮寨特大懸索橋，主跨1 088 m的壩凌河特大懸索橋以及主跨900 m的四渡河特大懸索橋等[1，2]。然而自1940年美國舊塔科馬橋風毀之后，橋梁風致穩定已成為大跨度柔性橋梁設計和建造的控制因素。

為準確評價橋梁的抗風性能，首先需要解決的就是橋址處的風荷載輸入，也即是橋址風場特性。我國《公路橋梁抗風規范》[3]所規定的四類基本地形適用于各向同性的開闊地貌，當橋址處于山區峽谷這種特殊地形時，規范提供的風場特性公式將不再適用。規范[5]建議當橋址處于峽谷或山口等特殊地形時可采用風洞試驗或數值模擬或者現場實測等方法確定其風場特性參數?，F場實測方法無疑是最為準確的手段，通過長期觀測可以獲得橋址處的真實風場數據[4，5]，然而該方法本身也具有著較多的不足，例如，一方面需要長期實測積累才能獲得可用于工程實踐的數據，同時經費花費高，對設備的性能有較高的要求。另一方面，實測受地形等條件限制，通常只能獲得有限位置的風速數據，當橋址處于峽谷復雜地形時，很難從個別位置數據推算全橋范圍的風場特點。隨著計算機能力的快速提高，CFD數值模擬技術被越來越多的應用于復雜地形的風場特性模擬，并取得了一定的成果[6-8]。受計算能力以及湍流模型的限制，數值模擬的計算精度目前仍有待提高。相比于上述兩種方法，地形模型風洞試驗有著時間短花費少，試驗條件可控，結果準確等優點，是目前被廣泛認可的一種獲得風場特性參數的手段[9-11]。

當橋址處于山區峽谷地形時，由于峽谷地形不盡相同，通過真實地形模型雖然能夠獲得特定橋址峽谷的風場特性，但是對其他不同峽谷的風場特性研究參考意義相對較小。若將峽谷地形簡化，將局部部位的差別剔除，取大多數峽谷的共同特征來模擬，再通過試驗進行研究將對該類地形的風場特性具有重要意義。本文將峽谷地形簡化，制作了系列簡易峽谷地形模型，通過風洞試驗分析了峽谷坡度、寬度等參數對谷內風場的影響，獲得了山區峽谷風場的一些基本規律，可供類似地形的工程實踐參考。

1 風洞試驗布置

將實際峽谷進行簡化，排除峽谷地形復雜多變的局部構造的干擾，采用圓錐形山體來模擬系列的簡易峽谷。圓錐山體采用厚度為3 mm的復合板模擬高程等高線疊合而成，以此來考慮山體粗糙度對風場的影響。通過固定山體底部尺寸，變化山體高度的思路來模擬具有不同邊坡斜率的峽谷地形。圓錐底面半徑固定為14.3 cm，制作了四種不同高度5.72 cm,7.15 cm,8.8 cm，10.8 cm的圓錐以模擬峽谷不同的邊坡坡度。試驗所用風洞截面尺寸為0.5 m(寬)×0.5 m(高)，2.1 m(長)。為了盡量減小試驗過程中風洞工作截面的氣流阻塞率，將圓錐體一劈為二，然后用兩半錐體組成峽谷地形模型。為了考慮峽谷兩側山體對來流的分離作用，將半圓錐體剖分面與風洞軸線呈45°角布置。

考慮山區地面粗糙度實際情況，試驗來流選擇規范中的C類風場進行。采用尖劈加粗糙元結合橫擋板的被動模擬方法進行試驗風場的調試。試驗布置如圖1所示。試驗過程中采用Cobra Probe三維風速探針進行風速及攻角測試，采樣頻率設定在1 000 Hz，采樣時間為30 s。經測試在模型試驗截面處，來流邊界層達20 cm厚，滿足簡易峽谷模型的試驗高度。試驗來流風場剖面模擬結果如圖2及圖3所示。

2 試驗結果分析

2.1 平均風剖面

通過對上述四組不同邊坡斜率峽谷模型的風洞試驗，獲得了簡易模型峽谷范圍內不同位置的平均風特性，如圖4所示為相對于谷頂高度的平均風剖面豎向分布圖。與直觀預測結果趨勢相同，與來流風剖面相對比，峽谷內平均風剖面由于峽谷的壓縮加速效應，剖面指數有減小的趨勢。在谷中位置，隨邊坡斜率的增大，平均風剖面指數逐漸減小，對各工況剖面指數進行最小二乘擬合可以得到剖面指數a分別為0.14，0.132，0.115和0.102。雖然谷內四分點位置平均風剖面受峽谷加速效應影響也有減小，四種不同邊坡斜率下其剖面指數基本相同，約為0.11。另外，由于橋梁跨越峽谷時主梁一般處于谷頂高度附近，因此谷頂高度處平均風速的分布對主梁風荷載的計算有重要影響。將不同試驗工況下谷頂高度處平均風速沿峽谷跨度方向的分布曲線繪出，如圖5所示，從圖中可以很明顯看出各谷坡斜率谷頂高度處平均風速均表現出自跨中向兩側山體減弱的分布規律，并且谷坡斜率越陡減弱趨勢愈強。究其原因，峽谷內靠近山體處風速受山體的摩擦阻擋作用明顯，從而低于谷中風速。由此可知峽谷內的風場具有明顯三維特性，峽谷橋址橋梁風振分析時需考慮平均風沿橋跨的縱向分布不均勻特性。

2.2 風攻角

大跨度橋梁抗風分析中，與來流平均風速相關的參數除去風速之外，來流風攻角同樣具有重要作用。我國規范中規定在進行大跨度橋梁風振分析時通常要考慮±3°的來流攻角工況。因此，試驗過程中特別測試了谷頂高度處不同位置的來流攻角分布情況，如圖6所示。從圖中可以看出，不同谷坡斜率模型中，受峽谷對風場的擠壓作用，跨中位置風攻角受谷坡斜率影響較小，試驗過程中基本保持+2.5°左右。然而從谷中向兩側山體方向，風攻角逐漸增大，并且邊坡斜率越陡風攻角增加越快，靠近兩側山體附近，風攻角已經超過4°，超出了規范中的要求。由此可見，當橋梁跨越山區峽谷時抗風分析的攻角取值已不能按常規要求進行，需要考慮適當的增大攻角范圍以避免出現不利影響。

2.3 風場加速效應

復雜地形對來流平均風速的影響，對橋梁抗風分析具有重要意義。我國規范中建議處于峽谷或山口等引起加速效應的特殊地形時，來流風速可考慮增大10%～20%，英國建筑結構風荷載規范也建議峽谷地形平均風速應當增大10%。定義風場加速系數為峽谷內實測風速與相同高度處參考來流風速的比值。圖7所示為谷中與四分點處平均風加速效應沿相對于峽谷谷頂高度豎直剖面的分布隨邊坡斜率的變化情況。由圖可知，峽谷內不同位置的加速效應均隨高度的增加呈衰減趨勢，并且谷中加速系數豎向的衰減態勢明顯強于四分點位置，同時邊坡越陡峭即斜率越大則加速效應愈顯著。Cao與Tamura 在研究山體表面粗糙度影響時指出[12]，山體表面的無滑移邊界條件決定了在近山體處存在一個平均風加速效應最強高度。由于試驗過程中未能測試緊靠山體的高度，這一現象未能展現。由于橋面位置通常處在谷頂處，因此此處的加速效應對于主梁的風荷載取值具有重要影響。從圖中可以看出，谷頂海拔高度四分點處的加速效應普遍高于0.2，而谷中位置小于0.1，這進一步反映了峽谷內風場的空間三維性。

3 結語

通過系列簡易峽谷模型風洞試驗，峽谷內風場特性具有以下基本規律：1)峽谷內平均剖面不能用單一指數描述，平均風速沿谷寬方向分布具有明顯的三維特性。2)峽谷內風場加速效應隨高度增高顯著減小，跨中谷頂處加速系數小于0.1，而靠近山體處四分點加速系數超過0.2。3)峽谷內風攻角受地形影響，谷中低兩邊高，并且超出了規范要求的常規±3°范圍。

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Research on wind field feature tests of simple canyon terrain model★

LI Chun-guang1LIU Yi2

(1.ChangshaUniversityofTechnologyBridgeEngineeringSafetyControllingTechniqueandQuipment,HunanEngineeringTechnicalResearchCenter,Changsha410114,China; 2.TheFifthCompany,GezhoubaGroup,Yichang443000,China)

In order to obtain the wind field feature distribution law of the bridge address, the paper adopts the conical mountain to make simple canyon models with different slopes, tests its wind field features by the wind cave tests, and achieves valuable conclusion.

canyon, wind field feature, simple model, wind cave test

1009-6825(2014)28-0163-03

2014-07-28★:西部交通重大專項(項目編號：2011318824140)；國家自然科學基金資助項目(項目編號：51278069，51208067);湖南省教育廳優秀青年項目資助(項目編號：12B009)

李春光(1980- )，男，博士，講師； 劉 熠(1988- )，男，碩士

U448

A