嘉紹大橋橋址臺風特性實測分析

岳 川 金 耀 徐文城 韓 帥 葉志龍

(1.浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司，浙江 紹興 312366； 2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

?

嘉紹大橋橋址臺風特性實測分析

岳 川1金 耀2徐文城2韓 帥2葉志龍2

(1.浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司，浙江 紹興 312366； 2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

為保證嘉紹大橋橋梁全壽命周期內結構與行車雙重安全，構建了橋梁運營期結構安全監測與巡檢養護管理系統，通過對實測燦鴻臺風數據的分析，得到了10 min平均風速風向、湍流強度以及紊流功率譜密度函數等強風特性，并評估了橋梁的抗風性能，為橋梁管養單位進行臺風天氣橋梁運營及應急管理工作提供了依據。

多塔斜拉橋，臺風，風速，湍流度

1 風場監測系統

嘉紹大橋主航道橋布置三向風速儀于中跨跨中處G54截面和G56截面的兩側，如圖1所示。

本文主要分析了包含“燦鴻”臺風經過橋址處在內的(2015.07.10 00:00～2015.07.12 05:00)共53 h的風場數據，分析時距為10 min，風向角以正北風為0°，順時針遞增。

2 臺風風場特性分析

2.1 平均風速和平均風向角

每個時距內的水平平均風速和平均風向角由以下式確定：

(1)

(2)

脈動風速u(t),v(t),w(t)可以由下式確定:

(3)

其中，u(t),v(t),w(t)分別為一基本時距內順風向、橫風向及豎向脈動風速。

圖2是分析時段內的風速風向玫瑰圖。圖3，圖4分別是平均風速和平均風向角時程。從圖中可以看出，在2 500 min以前，臺風期間的風向大部分時間在0°附近波動，即北風；直到2 500 min以后，風向開始從北風(0°)逐漸轉為西風(270°)。整個過程期間，最大水平平均風速為18.69 m/s，風向角為343.6°。由于嘉紹大橋橋軸向接近正南北方向，因此此次臺風的風向基本與橋軸向平行。

2.2 湍流度

湍流強度代表了風速脈動的強烈。順風向、橫向和豎向湍流強度由以下方程確定：

(4)

其中,σu,σv,σw分別為三個方向脈動風速的標準方差。

圖5是湍流度時程，圖6是湍流度—風向玫瑰圖。從圖中可以看出，大部分時間的湍流度都在10%以內；當風向從東北向逐漸變化為西北向時，即第2 000 min前后，來流風越過了0°，越過了橋軸向，在此期間風速測點處的脈動風受結構自身的影響，湍流度明顯變大。

2.3 脈動風功率譜密度函數

功率譜代表了脈動風速在頻域內的能量分布，它是計算大跨橋梁抖振響應的關鍵因素。一般而言，Von-Karman譜能夠描述風速的自功率譜。該譜具有如下形式：

(5)

其中,f為頻率；Su,Sv,Sw分別為順風向、橫風向及豎向功率譜；Lu,Lv,Lw分別為各自方向上估計的湍流積分尺度。

圖7為三個方向脈動風的功率譜密度函數以及相應的Von-Karman擬合譜。由圖7可知，Von-Karman譜與實測脈動風功率譜吻合較好，說明嘉紹大橋橋址風場脈動風速功率譜可以用Von-Karman譜來描述。

3 結語

1)風場特性分析表明：此次臺風“燦鴻”在經過嘉紹大橋橋址處時，其來流方向基本平行于橋軸向，最大平均風速為18.69 m/s；湍流度一般在10%以下，只有當風向變化越過橋軸向時測點湍流度受結構影響而顯著增大，脈動風功率譜與Von-Karman譜吻合很好。

2)由于此次臺風的來流風向與橋軸幾乎平行以及跨中處剛性鉸的設置，主梁的風致振動水平并不高，剛性鉸的作用也十分突出，結構在此次臺風中很安全。

3)橋梁安全監測系統可實現對橋址風場的實時在線監測，有效的保證運營期橋梁結構與行車的雙重安全，同時為橋梁管理部門應對橋梁突發事故提供了數據支撐與輔助決策。

[1] 賴馬樹金.基于現場監測技術的某斜拉橋風場特性及風效應分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[2] 金 耀.大跨度橋梁全模態耦合顫抖振響應分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[3] 喻 梅,廖海黎,李明水,等.大跨度橋梁斜風作用下抖振響應現場實測及風洞試驗研究[J].實驗流體力學，2013，27(3):51-55.

[4] 劉 明.沿海地區風場特性實測分析與大跨度橋梁抖振響應研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[5] Li H,Laima S,Zhang Q,et al.Field monitoring and validation of vortex-induced vibrations of a long-span suspension bridge[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2014,124(7):54-67.

[6] Li H,Laima S,Ou J,et al.Investigation of vortex-induced vibration of a suspension bridge with two separated steel box girders based on field measurements[J].Engineering Structures,2011,33(6):1894-1907.

Field monitoring of typhoon on the Jiashao Bridge

Yue Chuan1Jin Yao2Xu Wencheng2Han Shuai2Ye Zhilong2

(1.ZhejiangJiashaoCross-RiverBridgeInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd,Shaoxing312366,China；2.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd(HPDI),Beijing100088,China)

In order to guarantee double safety of structure and driving of Jiashao Bridge during its whole-life cycle, the paper buildings structural safety monitoring and inspection maintenance management system during the bridge operation period. Through analyzing field Canhong typhoon data, it obtains strong wind characteristics of 10 min average wind speed and direction, turbulence and turbulence power spectral density function, and assesses the bridge wind-resisting performance, which has provided some guidance for bridge administration units to carry out bridge operation with typhoon and emergent management as well.

multi-pylon cable-stayed bridge, typhoon, wind speed, turbulence

1009-6825(2016)30-0172-02

2016-08-15

岳 川(1984- )，男，工程師

U442.4

A