山區深切河谷處鋼桁拱橋的風環境測量研究

李勇

摘 要：本文介紹了某位于山區深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處的風特性參數觀測方案，在距離施工塔吊10～90m的高度范圍內，每隔10m布置1套風速/風向傳感器，對橋址處風環境進行長期實測。通過計算其平均風特性參數，得出了山區深切河谷地貌風環境與現行規范的不同，擬為該大跨度鋼桁拱橋后續的施工及運營維護提供依據。

關鍵詞：山區深切河谷；風場實測；大跨鋼桁拱橋；平均風環境

中圖分類號：TU198 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）08-0071-03

近年來，我國建造了多座大型拱橋，但其抗風問題卻未得到足夠的重視。現行的《公路橋涵設計通用規范》（以下簡稱“橋規”）和《公路橋梁抗風設計規范》（以下簡稱“風規”）中，并未專門給出大跨度拱橋的風荷載計算依據及相應的抑振措施，國內相關報道也主要是研究懸索橋與斜拉橋的風振問題。而拱橋的剛度相對更高，抗風性能與其他柔性橋梁截然不同。此外，目前的大多數研究均是橋址位于平原地區，幾乎沒有針對山區深切河谷地貌處大跨度拱橋的相關報道。因此，本文對我國西南山區一座深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處進行了長期風環境實測，擬為后續風荷載計算提供依據，指導同類橋梁的抗風設計。

1 工程背景

某上承式鋼桁拱橋凈跨徑400m，凈矢高80m，矢跨比1/5，孔跨為：，其設計圖如圖1所示。

橋址區地表為緩陡相間的折線型斜坡，最大地面標高318m，河底標高為90m，相對高差達228m，切割深度較大。南岸山脊自然坡度為350～410，北岸山脊坡度約為650～750。因此，該橋位地形屬典型的深切河谷地貌，如圖2所示。

2 風環境實測方案

風特性測量設備采用風速風向儀，包括風速/風向傳感器、采集儀、氣象軟件三部分。將風速風向儀安裝到交界墩旁的塔吊上，分別在離塔吊底腳10～90m高度處安裝9個風速和風向傳感器，分別以#1～#9測點表示，如圖3所示。

采集儀連接到計算機進行風速風向數據的自動采集，采集頻率1Hz，觀測時間為2015年1月～2016年12月，為期兩年。

3 實測結果

對于數據采集終端采集到的數據，首先進行預處理，剔除無效數據。然后按《風規》計算平均風特性，包括平均風速的大小和方向、基本風速、風速沿高度的分布廓線等。

3.1 平均風速和風向

由于觀測儀采集到的風速數據為三維序列，因此采用矢量分解法可分別得到水平平均風速和風向角。限于篇幅，圖4只給出了橋址處1#和9#測點在2016年1月份的風速測量結果。按照《風規》，平均風時距為10min。通過對這些數據進行統計分析，便可以得到每個月的10min時距平均風速和風向，其統計結果見表1。

由表1，橋址處全年的月平均風速最大值發生在6～8月份，其平均風向約為358°～359°，這主要是由于我國處于亞熱帶季風氣候帶，夏季季風大，盛行偏南風。除6～8月份外，全年其余月份的平均風速均在14m/s左右（9#測點）、10m/s左右（1#測點），風向角約為20°左右。

為進一步分析全年風向的概率分布情況，本文運用數理統計的分析方法得到了圖5所示的冬季和夏季的風玫瑰圖。比較圖5（a）和圖5（b），橋址處風向集中在NNE至E之間，另外，在SSE至S之間，主導風向為東北風和東南風。該方向大致與深切河谷的走向一致，說明橋址特殊的地貌環境對平均風向的影響很大。夏季最大概率風向為ENE，達到48.7%，冬季最大概率風向為NNE，為49.2%，二者基本一致，說明該橋址處風向概率分布受季節的影響較小。

3.2 基本風速

根據兩年的實測數據，由上述算式計算出橋址處100年重現期的基本風速為31.8m/s。而根據我國《風規》，橋址所在地區的百年重現期基本風速為27.5m/s。可見，現行規范低估了該橋橋址處的基本風速，這主要是由于現行規范針對的是開闊平坦地貌，而本橋橋址處屬于典型的深切河谷地貌。另一方面，這也說明對于特殊地貌進行風環境實測的重要性。

3.3 風速廓線

通過對比1# ～ 9#測點在同一月份10min時距平均風速的變化曲線，圖6給出了2016年第一季度至第四季度平均風速沿高度的變化情況，即風速廓線。

由圖6可見，本橋橋址處的全年各月份的風速廓線均不嚴格遵守我國《公路橋梁抗風設計規范》所建議的指數律或對數律關系，平均風速最大值發生在70m高度處，而非指數律或對數律分布所對應的頂部。這主要是受深切河谷地貌的影響，河道范圍內既存在大氣漩渦的水平運動，又存在豎直運動，二者互相影響，對近地面風環境造成了強烈的擾動。上述現象明顯區別于規范所針對的平坦地貌，其以漩渦的水平運動為主，風速廓線基本遵守指數律或對數律的分布關系。由此可見，對于山區深切河谷這類明顯區別于開闊平坦環境的地貌類型，進行橋址抗風研究時，其風速廓線應通過現場觀測來確定，以免盲目參考現行規范所導致的不可靠研究結果。

4 結論

本文對某位于山區深切河谷處的大跨度鋼桁拱橋位處風環境參數進行了長期現場實測研究表明：

（1）橋址處月平均風速最大值發生在6～8月份，平均風向約為3580～3590，主要是受亞熱帶季風氣候影響所致。橋址處主導風向居于NNE至 E之間，與深切河谷的走向一致，說明橋址特殊的地貌環境對平均風向的影響很大。

（2）橋址處100年重現期下的基本風速為31.8m/s，高于現行規范的計算值，主要是由于規范針對的是開闊平坦地貌，而本橋橋址處屬于典型的深切河谷地貌，這也說明對于特殊地貌進行現場實測的重要性。

（3）橋址處平均風速最大值并非發生在最高處，其沿高度的分布明顯區別于現行規范所建議的指數律或對數律，因此對于山區深切河谷這類明顯區別于開闊平坦環境的地貌類型，其風速廓線應通過現場觀測來確定。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國行業標準，公路橋涵設計通用規范，JTG/T D60-2004.

[2] 中華人民共和國推薦行業標準，公路橋梁抗風設計規范，JTG/T D60-01-2004.

[3] 項海帆. 進入21世紀的橋梁風工程研究[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2002， 30（5）：529-532.

[4] 陳政清， 劉光棟. 橋梁風工程研究的若干新進展[J]. 工程力學， 2006， 23（s2）：93-111.

[5] 張新軍. 橋梁風工程研究的現狀及展望[J]. 公路， 2005（9）：27-32.

[6] 唐春平. 西部山區風特性參數及大跨度鋼桁拱橋抖振響應研究[D]. 重慶大學， 2014.

[7] 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.