淺析山區(qū)大跨橋梁風(fēng)場(chǎng)特性

仇勇 秦創(chuàng)創(chuàng) 于江銘

摘 要：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是目前研究山區(qū)風(fēng)特性的主要方法，本文首先這幾種方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述；然后借用學(xué)者們的研究成果，從平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性?xún)煞N角度，分析山區(qū)風(fēng)特性與平原地段的差異，結(jié)果表明：與平原地段相比，復(fù)雜地段的山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性更加具有不穩(wěn)定性，平均風(fēng)剖面變化多端；湍流度與陣風(fēng)因子明顯較高；在豎向脈動(dòng)風(fēng)作用下，脈動(dòng)風(fēng)功率譜函數(shù)在低頻區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果低，而在高頻區(qū)恰恰相反。最好，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出一些針對(duì)性的建議。

關(guān)鍵詞：山區(qū)風(fēng)特性、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、平均風(fēng)特性、脈動(dòng)風(fēng)特性

1 前言

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性的追求也不斷的提高。越來(lái)越多的跨峽谷大橋修建在西部多山脈區(qū)域，而西部地區(qū)山區(qū)風(fēng)場(chǎng)千變?nèi)f化、復(fù)雜多樣，為保證大跨峽谷大橋在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全性和舒適性，研究大跨山區(qū)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性必不可少。

對(duì)于大跨橋梁而言，具有結(jié)構(gòu)剛度小和自振頻率低等特點(diǎn)，在對(duì)大跨橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)荷載往往為其控制荷載。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于風(fēng)荷載的規(guī)定僅僅適用于地勢(shì)地貌較為平坦的各向同性風(fēng)場(chǎng)條件，而對(duì)于地形地貌較為復(fù)雜的地區(qū)，風(fēng)荷載則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。現(xiàn)階段研究的山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性主要方法有：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等。而其中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，其最終成果還是需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)確定，對(duì)于風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響的最有效的。

2大跨結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究方法

2.1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[1]利用運(yùn)動(dòng)相對(duì)性和流動(dòng)相似性來(lái)研究風(fēng)洞中模擬物體模型的氣體流動(dòng)特性，能夠在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下確定出空氣流動(dòng)的特征。在橋梁工程中，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯印⒂行У难芯看罂缃Y(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到了工程界的廣泛認(rèn)可。對(duì)于橋梁風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)而言，主要有三種方式：靜力三分力實(shí)驗(yàn)、彈簧懸掛剛體節(jié)段模型實(shí)驗(yàn)、全橋氣動(dòng)彈性模型實(shí)驗(yàn)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的剛性測(cè)壓實(shí)驗(yàn)最要用于測(cè)量結(jié)構(gòu)上作用的風(fēng)荷載，并且能夠分別測(cè)量出平均風(fēng)荷載與脈動(dòng)風(fēng)荷載；而結(jié)構(gòu)邊界層的動(dòng)力響應(yīng)是通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)和來(lái)流之間的相互耦合作用的氣彈性模型實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 數(shù)值模擬

隨著計(jì)算軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的的研究中顯得尤其的重要，與較為傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值模擬技術(shù)[2]的優(yōu)點(diǎn)主要在于：1、費(fèi)用較低，所花費(fèi)時(shí)間短。2、可以改變不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)不同特征下的山區(qū)地形地貌進(jìn)行模擬，能夠比較直觀的探討出不同參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的整體影響；3數(shù)值模擬技術(shù)可利用可視化工具，提供風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的一些繞流流場(chǎng)信息。但數(shù)值模擬并不能完全準(zhǔn)確的模擬出山區(qū)大跨境橋梁風(fēng)特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能夠直接獲得地區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性，是我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)風(fēng)特性研究最有效的方法之一。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[3]普遍是通過(guò)風(fēng)速儀、加速度計(jì)等儀器測(cè)量結(jié)構(gòu)風(fēng)向、平均風(fēng)速、脈動(dòng)風(fēng)特性等，以便對(duì)復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下風(fēng)特性的共同特征進(jìn)行研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以得到準(zhǔn)確的、具有一定可靠度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的不足之處，為制定出復(fù)雜多變山區(qū)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范提供依據(jù)。

3 峽谷風(fēng)特性統(tǒng)計(jì)分析

由于風(fēng)在峽谷和山體地段會(huì)導(dǎo)致大范圍的繞流、分離和再附著，使得復(fù)雜地形地貌的風(fēng)場(chǎng)特性具有不確定性。大氣層內(nèi)空氣流動(dòng)特性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生重大的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)物所在地的近地風(fēng)特性的研究，能夠最大程度減少大氣層空氣流動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。為了便于研究近地風(fēng)特性，風(fēng)場(chǎng)特性可以劃分為平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性。

3.1平均風(fēng)特性

平均風(fēng)特性主要是用于反映地形地貌有關(guān)的空間分布特性，相關(guān)參數(shù)包括平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速剖面、風(fēng)攻角等。Jakson等[4]通過(guò)線性模型對(duì)平面對(duì)稱(chēng)平緩小山風(fēng)剖面模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到了山頂風(fēng)速加速效應(yīng)最大的結(jié)論。ROSS等利用[5]數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了從一階到二階的閉合模型，結(jié)果表明：二階閉合預(yù)測(cè)模型得到的結(jié)果雖然平均風(fēng)速精度較高，但并不能很好的預(yù)測(cè)分離流區(qū)域的湍流特性。朱樂(lè)東等[6]對(duì)壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風(fēng)剖面中研究發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)復(fù)雜的峽谷地段，平均風(fēng)剖面會(huì)受到很大的影響。平均風(fēng)剖面形態(tài)規(guī)則千變?nèi)f化，呈現(xiàn)出多樣性。此外風(fēng)向角在低空方面受地形影響更加嚴(yán)重，變化幅度也較高空范圍更大，而且隨著高度的降低，風(fēng)迎角的絕對(duì)值大小以及散布的區(qū)域呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

3.2脈動(dòng)風(fēng)特性

3.2.1湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子

風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度通常使用湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子來(lái)表示。湍流強(qiáng)度脈動(dòng)風(fēng)速指在平均時(shí)距內(nèi)的方根差（標(biāo)準(zhǔn)差）與水平方向上平均風(fēng)速的比值。而陣風(fēng)因子定義為在持續(xù)內(nèi)陣風(fēng)最大平均風(fēng)速與平均風(fēng)速的比值，用來(lái)體現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)的變化規(guī)律。湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子都是體現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)強(qiáng)度的兩個(gè)參數(shù)，但是側(cè)重點(diǎn)不同，兩個(gè)參數(shù)具有線性比例關(guān)系，隨著湍流度的增加，陣風(fēng)因子不斷增加。朱樂(lè)東等[7]在對(duì)自然風(fēng)紊流風(fēng)特性研究中發(fā)現(xiàn)：湍流度在平均風(fēng)速逐漸增加的情況下有減少的趨勢(shì)。與平坦地段相比，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子在復(fù)雜山區(qū)峽谷地段明顯較高。周廣東等[8]通過(guò)對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：大氣穩(wěn)定性隨著平均風(fēng)速的增大而變高，且被地面物體所干擾的概率就會(huì)越小，而湍流度會(huì)隨著大氣穩(wěn)定性的變高而較低，因此，當(dāng)平均風(fēng)速逐漸增大時(shí)，其值會(huì)逐漸減小。

3.2.2湍流積分尺度

湍流積分尺度是用來(lái)反映在脈動(dòng)風(fēng)中產(chǎn)生的湍流旋渦平均尺寸，是決定結(jié)構(gòu)受風(fēng)場(chǎng)特性影響程度的重要物理因子。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究表明湍流積分尺度與湍流度存在一定線性相關(guān)性，其值在橫向和縱向都隨著該方向的湍流度的增大而大幅度的下降。周廣東等[8]研究發(fā)現(xiàn)雖然湍流積分尺度與平均風(fēng)速的相關(guān)性較弱，但當(dāng)平均風(fēng)速減小時(shí)，積分尺度也會(huì)隨之減小。風(fēng)場(chǎng)中的脈動(dòng)特性主要是源于風(fēng)場(chǎng)大漩渦破裂而成的一系列小尺寸旋渦的影響；當(dāng)這些小漩渦達(dá)到一定程度大小時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)特性與平均風(fēng)特性之間幾乎沒(méi)有多大差別。何旭輝等[9]在對(duì)橋位良態(tài)風(fēng)的長(zhǎng)期觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，規(guī)范推薦值中的湍流積分尺度和湍流強(qiáng)度均比實(shí)測(cè)值小，且在高度增加的情況下，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子并不會(huì)減少。地形地貌的起伏不平對(duì)脈動(dòng)風(fēng)特性影響十分顯著，特別在復(fù)雜地段，脈動(dòng)風(fēng)特性變化更加無(wú)規(guī)律可言，因此，在對(duì)山區(qū)峽谷地段進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)中，考慮復(fù)雜地形對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的影響必不可少。

3.2.3脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)

脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)是用來(lái)反映湍流中不同尺寸旋渦的動(dòng)能對(duì)湍流脈動(dòng)總動(dòng)能的影響大小。在我國(guó)現(xiàn)有橋梁規(guī)范中，縱向功率譜函數(shù)主要使用Kaimal譜計(jì)算；在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南中建議在順向風(fēng)中采用Simiu譜，而豎向脈動(dòng)風(fēng)推薦采用Panofsky譜。但就山區(qū)風(fēng)特性而言，這些風(fēng)譜并不完全適用。朱樂(lè)東等[6]在壩陵河峽谷脈動(dòng)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究中發(fā)現(xiàn)在順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)條件下，低頻區(qū)實(shí)測(cè)擬合結(jié)果比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果低，而在高頻區(qū)則恰恰相反；而在水平和豎向脈動(dòng)風(fēng)功率譜，實(shí)測(cè)擬合結(jié)果也明顯高于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。辛亞兵等[10]對(duì)橋梁沿橋軸向的風(fēng)特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：Simiu譜經(jīng)驗(yàn)公式在高頻區(qū)計(jì)算結(jié)果與沿橋向順風(fēng)段功率譜密度基本相同；在高頻段豎風(fēng)向功能譜密度函數(shù)與Panofsky譜基本不吻合，而在低頻段，實(shí)測(cè)值也比Panofsky譜低。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對(duì)其進(jìn)行了研究，但仍然存在一些就局限性和困難，本文認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入的研究。

（1）與平原地貌相比，復(fù)雜地形地貌下的山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性更加復(fù)雜，對(duì)于復(fù)雜地形的山區(qū)風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)范并沒(méi)有完善。而且對(duì)于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，模型比例較小，面對(duì)地域廣闊的山區(qū)地帶，測(cè)試的方法和精度并不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。需要采用能夠模擬不同環(huán)境、精度更高的試驗(yàn)儀器，同時(shí)學(xué)者們也要不斷投入精力和時(shí)間來(lái)改善現(xiàn)有研究方式，從紛繁復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)特性中提煉出與平原地貌風(fēng)場(chǎng)特性之間的共性，以便更好的為工程實(shí)際服務(wù)。

（2）數(shù)值模擬作為當(dāng)下新興的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，其能夠通過(guò)改變不同的參數(shù)來(lái)模擬不同類(lèi)型的山區(qū)地貌環(huán)境，與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比，能夠大大的節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。但就我國(guó)現(xiàn)階段而言，數(shù)值模擬技術(shù)仍處于剛剛起步階段，對(duì)于復(fù)雜山區(qū)地貌環(huán)境的研究模型和參數(shù)設(shè)置還不夠成熟，精準(zhǔn)度達(dá)不到工程需求。因此，現(xiàn)階段，研究人員需要將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬技術(shù)不斷進(jìn)行對(duì)比，提高計(jì)算機(jī)軟件的自我學(xué)習(xí)能力，完善其研究模型和精度。

（3）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，盡管已經(jīng)有很多專(zhuān)家學(xué)者投入到這方面的研究之中，但對(duì)于山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性而言，需要在特殊地段建立大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，以便獲得長(zhǎng)期的、持續(xù)的風(fēng)特性參數(shù)。并將觀測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬技術(shù)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接對(duì)比，改進(jìn)計(jì)算風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约坝?jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的試驗(yàn)參數(shù)。除此之外，還需建設(shè)山區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)特性的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)研究風(fēng)場(chǎng)特性沿高度變化的規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)的舒適程度進(jìn)行合理的評(píng)定。

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