淺析山區大跨橋梁風場特性

仇勇 秦創創 于江銘

摘 要：風洞實驗、數值模擬和現場實測是目前研究山區風特性的主要方法，本文首先這幾種方法進行了詳細闡述；然后借用學者們的研究成果，從平均風特性和脈動風特性兩種角度，分析山區風特性與平原地段的差異，結果表明：與平原地段相比，復雜地段的山區風場特性更加具有不穩定性，平均風剖面變化多端；湍流度與陣風因子明顯較高；在豎向脈動風作用下，脈動風功率譜函數在低頻區實測數據較經驗公式計算結果低，而在高頻區恰恰相反。最好，對目前的研究現狀進行了總結，并提出一些針對性的建議。

關鍵詞：山區風特性、風洞實驗、數值模擬、現場實測、平均風特性、脈動風特性

1 前言

目前，隨著我國經濟與建筑事業的不斷發展，對建筑結構的安全性和舒適性的追求也不斷的提高。越來越多的跨峽谷大橋修建在西部多山脈區域，而西部地區山區風場千變萬化、復雜多樣，為保證大跨峽谷大橋在施工和運營過程中的安全性和舒適性，研究大跨山區結構的風荷載特性必不可少。

對于大跨橋梁而言，具有結構剛度小和自振頻率低等特點，在對大跨橋梁進行結構設計過程中，風荷載往往為其控制荷載。目前，國內關于風荷載的規定僅僅適用于地勢地貌較為平坦的各向同性風場條件，而對于地形地貌較為復雜的地區，風荷載則需要通過實驗來確定。現階段研究的山區風場特性主要方法有：現場實測、數值模擬、風洞實驗等。而其中風洞實驗和數值模擬是對結構進行模擬實驗，其最終成果還是需要通過現場實測來確定，對于風荷載對結構影響的最有效的。

2大跨結構抗風研究方法

2.1風洞實驗

風洞實驗[1]利用運動相對性和流動相似性來研究風洞中模擬物體模型的氣體流動特性，能夠在相對復雜的環境下確定出空氣流動的特征。在橋梁工程中，風洞實驗能夠直接、有效的研究大跨結構風荷載分布特性，其實驗結果也得到了工程界的廣泛認可。對于橋梁風洞實驗而言，主要有三種方式：靜力三分力實驗、彈簧懸掛剛體節段模型實驗、全橋氣動彈性模型實驗。風洞實驗中的剛性測壓實驗最要用于測量結構上作用的風荷載，并且能夠分別測量出平均風荷載與脈動風荷載；而結構邊界層的動力響應是通過考慮結構和來流之間的相互耦合作用的氣彈性模型實驗來確定。

2.2 數值模擬

隨著計算軟件的不斷發展，數值模擬技術在復雜山區風場特性的的研究中顯得尤其的重要，與較為傳統的風洞實驗相比，數值模擬技術[2]的優點主要在于：1、費用較低，所花費時間短。2、可以改變不同的實驗參數對不同特征下的山區地形地貌進行模擬，能夠比較直觀的探討出不同參數變化對結構的整體影響；3數值模擬技術可利用可視化工具，提供風洞實驗無法提供的一些繞流流場信息。但數值模擬并不能完全準確的模擬出山區大跨境橋梁風特性，其實驗結果必須通過現場實測結果來檢驗。

2.3 現場實測

現場實測能夠直接獲得地區風場特性，是我國現階段對風特性研究最有效的方法之一。現場實測[3]普遍是通過風速儀、加速度計等儀器測量結構風向、平均風速、脈動風特性等，以便對復雜山區環境下風特性的共同特征進行研究。通過現場實測，可以得到準確的、具有一定可靠度的實驗數據，并將結果與風洞實驗和數值模擬實驗進行對比，發現出數值模擬與風洞實驗的不足之處，為制定出復雜多變山區風荷載設計規范提供依據。

3 峽谷風特性統計分析

由于風在峽谷和山體地段會導致大范圍的繞流、分離和再附著，使得復雜地形地貌的風場特性具有不確定性。大氣層內空氣流動特性對橋梁結構能夠產生重大的影響，對結構物所在地的近地風特性的研究，能夠最大程度減少大氣層空氣流動對橋梁結構產生的影響。為了便于研究近地風特性，風場特性可以劃分為平均風特性和脈動風特性。

3.1平均風特性

平均風特性主要是用于反映地形地貌有關的空間分布特性，相關參數包括平均風速、平均風向、風速剖面、風攻角等。Jakson等[4]通過線性模型對平面對稱平緩小山風剖面模型進行了預測，得到了山頂風速加速效應最大的結論。ROSS等利用[5]數值模擬與風洞實驗研究了從一階到二階的閉合模型，結果表明：二階閉合預測模型得到的結果雖然平均風速精度較高，但并不能很好的預測分離流區域的湍流特性。朱樂東等[6]對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風剖面中研究發現，在相對復雜的峽谷地段，平均風剖面會受到很大的影響。平均風剖面形態規則千變萬化，呈現出多樣性。此外風向角在低空方面受地形影響更加嚴重，變化幅度也較高空范圍更大，而且隨著高度的降低，風迎角的絕對值大小以及散布的區域呈現出逐漸增大的趨勢。

3.2脈動風特性

3.2.1湍流強度和陣風因子

風的脈動強度通常使用湍流強度和陣風因子來表示。湍流強度脈動風速指在平均時距內的方根差（標準差）與水平方向上平均風速的比值。而陣風因子定義為在持續內陣風最大平均風速與平均風速的比值，用來體現一定時間內脈動風的變化規律。湍流強度與陣風因子都是體現風場的脈動強度的兩個參數，但是側重點不同，兩個參數具有線性比例關系，隨著湍流度的增加，陣風因子不斷增加。朱樂東等[7]在對自然風紊流風特性研究中發現：湍流度在平均風速逐漸增加的情況下有減少的趨勢。與平坦地段相比，湍流強度和陣風因子在復雜山區峽谷地段明顯較高。周廣東等[8]通過對潤揚大橋健康監測系統反饋的風場數據進行研究，結果表明：大氣穩定性隨著平均風速的增大而變高，且被地面物體所干擾的概率就會越小，而湍流度會隨著大氣穩定性的變高而較低，因此，當平均風速逐漸增大時，其值會逐漸減小。

3.2.2湍流積分尺度

湍流積分尺度是用來反映在脈動風中產生的湍流旋渦平均尺寸，是決定結構受風場特性影響程度的重要物理因子。國內外相關學者研究表明湍流積分尺度與湍流度存在一定線性相關性，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]研究發現雖然湍流積分尺度與平均風速的相關性較弱，但當平均風速減小時，積分尺度也會隨之減小。風場中的脈動特性主要是源于風場大漩渦破裂而成的一系列小尺寸旋渦的影響；當這些小漩渦達到一定程度大小時，脈動風特性與平均風特性之間幾乎沒有多大差別。何旭輝等[9]在對橋位良態風的長期觀測中發現，規范推薦值中的湍流積分尺度和湍流強度均比實測值小，且在高度增加的情況下，湍流強度和陣風因子并不會減少。地形地貌的起伏不平對脈動風特性影響十分顯著，特別在復雜地段，脈動風特性變化更加無規律可言，因此，在對山區峽谷地段進行橋梁設計中，考慮復雜地形對設計風荷載的影響必不可少。

3.2.3脈動風功率譜密度函數

脈動風功率譜密度函數是用來反映湍流中不同尺寸旋渦的動能對湍流脈動總動能的影響大小。在我國現有橋梁規范中，縱向功率譜函數主要使用Kaimal譜計算；在橋梁抗風設計指南中建議在順向風中采用Simiu譜，而豎向脈動風推薦采用Panofsky譜。但就山區風特性而言，這些風譜并不完全適用。朱樂東等[6]在壩陵河峽谷脈動風特性實測研究中發現在順風向脈動風條件下，低頻區實測擬合結果比經驗公式計算結果低，而在高頻區則恰恰相反；而在水平和豎向脈動風功率譜，實測擬合結果也明顯高于經驗公式計算結果。辛亞兵等[10]對橋梁沿橋軸向的風特性現場實測數據進行了分析，結果表明：Simiu譜經驗公式在高頻區計算結果與沿橋向順風段功率譜密度基本相同；在高頻段豎風向功能譜密度函數與Panofsky譜基本不吻合，而在低頻段，實測值也比Panofsky譜低。

4 結語

對于山區風場特性的研究，國內外學者從不同的角度對其進行了研究，但仍然存在一些就局限性和困難，本文認為可以從以下幾個方面進行深入的研究。

（1）與平原地貌相比，復雜地形地貌下的山區風場特性更加復雜，對于復雜地形的山區風荷載相關規范并沒有完善。而且對于風洞實驗，模型比例較小，面對地域廣闊的山區地帶，測試的方法和精度并不能達到設計的要求。需要采用能夠模擬不同環境、精度更高的試驗儀器，同時學者們也要不斷投入精力和時間來改善現有研究方式，從紛繁復雜的山區風特性中提煉出與平原地貌風場特性之間的共性，以便更好的為工程實際服務。

（2）數值模擬作為當下新興的計算機軟件技術，其能夠通過改變不同的參數來模擬不同類型的山區地貌環境，與風洞實驗相比，能夠大大的節省實驗成本。但就我國現階段而言，數值模擬技術仍處于剛剛起步階段，對于復雜山區地貌環境的研究模型和參數設置還不夠成熟，精準度達不到工程需求。因此，現階段，研究人員需要將風洞實驗和現場觀測的結果與數值模擬技術不斷進行對比，提高計算機軟件的自我學習能力，完善其研究模型和精度。

（3）對于現場實測，盡管已經有很多專家學者投入到這方面的研究之中，但對于山區風場特性而言，需要在特殊地段建立大跨結構風場觀測系統，以便獲得長期的、持續的風特性參數。并將觀測結果與數值模擬技術和風洞實驗進行直接對比，改進計算風洞實驗模型以及計算機數值模擬技術的試驗參數。除此之外，還需建設山區結構風特性的實時健康監測系統，以便實時研究風場特性沿高度變化的規律，對結構的舒適程度進行合理的評定。

參考文獻：

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