洞庭湖大橋橋面風場特性實測研究

鄒樹榮　禹見達　劉力

摘 要：現場實測是一種重要的抗風研究手段，本文為了研究洞庭湖大橋橋面的風場、風壓特性，對洞庭湖大橋橋面的風場和風壓進行了現場同時實測。獲得了橋面的平均風速、風向、湍流度、陣風因子等風場特性參數，結果表明：洞庭湖橋面風的平均風速較小，風向穩定；紊流度和陣風因子都較小，接近I類地貌推薦值。

關鍵詞：現場實測；風壓系數；相關性

隨著大跨度橋梁結構的迅速發展，風荷載已成為橋梁設計時最重要的參考因素，獲取準確的風場和風壓特性參數對橋梁抗風設計至關重要。風場特性參數會隨著地理環境的變化而顯著變，所以風洞試驗和數值計算很難模擬出橋梁結構真實的受力狀況，而現場實測剛好能彌補這一點。國外學者在這方面的研究比較早， Kanda 等[1]總結了日本20世紀70年代后的高層建筑風場實測的研究成果。Geurts等[2]對試驗建筑進行了風場和風壓的全方位測量。王浩多次測量了潤揚長江大橋的強季風和臺風數據，得到了非常有用的實測結果。本文在西部課題的支持下，于 2013年11月23、24日，對洞庭湖大橋橋面進行了風速現場實測，采集了大量的有用數據，并分析獲得了一些有用結果，為橋梁抗風設計提供一定參考。

一、風場特性實測

本實驗采用RM Young 81000三向超聲風速儀進行風速采集，風速儀安裝在橋面主跨跨中，離湖面高30m，風速儀N極平行于橋軸線指向岳陽側，風向以順時針為正。

二、風場特性參數

三維風速，和是風速儀坐標下，和方向的實數序列，按基本時距分析，則水平風速，風向角，風攻角可表示為：

式中，為向的脈動風均方根，為平均風速，本文陣風持續時間取3s。

三、橋面風場特性分析

洞庭湖橋面的10min平均風速、風向和風攻角時程曲線，可以看出，洞庭湖大橋橋面風速主要集中在5～11m/s；風向角主要集中在210。～240。之間，風向穩定；風攻角變化范圍較小，主要集中在0。～4。之間。

風攻角是指由于地形的影響， 近地風與水平面的傾斜角，它與風速無必然聯系。隨著風速增大，風攻角變小，這主要是風速增大，風場穩定性變強，不易受近地物體的影響。10min平均風攻角與風向角的關系，可以看出，隨著風向角增大，風攻角也增大，主要原因是橋面對風場的干擾，不同風向的風場的流線不同，使得風攻角變化較大。

圖1是10min平均紊流度和陣風因子時程曲線，從統計結果來看，洞庭湖大橋橋面風場的縱向紊流度和陣風因子均較小，接近《公路橋梁抗風設計規范》中I類場地推薦值0.13和1.38，洞庭湖大橋屬于I類地貌。

為橫、縱紊流度的相關性，直線擬合結果為，略去尾數0.0042，，比規范的推薦值為要略大；同樣，橫、縱陣風因子也存在一定的相關性，橫、縱陣風因子關系擬合結果為。

四、結論

1、實測得到了洞庭湖大橋橋面風場數據，分析了橋面的風場的紊流度和陣風因子，結果表明，洞庭湖橋面的橫向紊流度，略大于規范推薦的，紊流度和陣風因子都較小，屬于規范里的I類地貌。

2、隨著風速增大，風場穩定性增強，風攻角變小；紊流度越大，陣風因子越大，其關系可以近似用正相關函數擬合。

參考文獻：

[1]Hui Li， Shujin Laima，Jinping Ou，etal. Investigation of vortex-induced vibration of a suspension bridge with two separated steel box girders based on field measurements[J]. Engineering Structures 33 （2011），1894–1907.

[2]龐加斌，宋錦忠，林志興.四渡河峽谷大橋橋位風的湍流特性實測分析[J].中國公路學報，2010，23（3）：42-47.