不同規模地形模型對某山區橋梁設計風特性確定的影響

2018-02-13 07:54:44劉黎陽張志田汪志雄

實驗流體力學 2018年6期

劉黎陽, 張志田, 汪志雄, 汪磊

(1. 云南省交通投資建設集團有限公司, 昆明 650228; 2. 海南大學土木與建筑工程學院, 海口 570228; 3. 湖南大學土木工程學院, 長沙 410082; 4. 云南省交通規劃設計研究院有限公司, 昆明 650041)

0 引言

中國中西部高速公路網的建設過程中，不可避免地會出現許多跨河、跨深切峽谷的大跨度橋梁。大跨度橋梁是柔性結構，對風效應敏感，因此抗風設計是保證這些大跨度橋梁安全的必不可少的環節。中國《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)[1]將橋梁所處的風環境分成4類。根據這4類場地，結合該地區的基本風速可得到橋面高度處的設計風速。《公路橋梁抗風設計規范》隱含了一個基本假定，即將地表特征如平坦的海面、起伏的山丘、林立的高樓等對大氣邊界層的影響等效成一種宏觀的表面粗糙度，從而影響邊界層內的平均風速分布梯度。這種處理方式在大范圍內是有統計意義的，但不能處理局部風特性的問題。中國西部山區橋梁，或跨越非典型的山口，或跨越深切峽谷，所處地形千變萬化，具有明顯的局部風特性，因此橋址的設計風特性(如平均風速、湍流度、風迎角特性等)無法從《公路橋梁抗風設計規范》中得到合理取值。當前，山區大跨度橋梁合理設計風特性的取值仍然是一個沒有解決的問題。

針對特殊地形下的風特性，國內外研究者進行了一系列的研究。Miller與Davenport等[2]率先對山區復雜地形中的風速加速效應特性做了一系列研究；Sierputowski等[3]、Bullard等[4]用簡化的梯形狀山體制作了山谷模型并進行了風洞試驗。該研究對于位于地表主平面之上的山谷風特性具有一定的參考意義，但對位于地表主平面之下的深切峽谷無參考價值。Takahashi等[5]研究了一孤立山體周圍的風特性，結果表明山頂的風速加速效應受山體粗糙度(植被覆蓋程度)的影響。Kondo[6]、Lubitz[7]等則研究了沿一個孤立的簡單山坡上的風速分布特性。Bowen[8]利用簡單的山包線性排列成連續起伏的地形并進行了試驗研究，結果表明山體對風場的影響遍及任意方位，其影響范圍至少是2倍的山體直徑。Yamaguchi等[9]針對實際復雜地形制作模型進行了風洞試驗研究，結果表明在復雜地形區域很難應用規范中的指數規律來描述平均風特性，也不能依照公式從低海拔處的湍流特性推出高海拔處的湍流特性。陳政清等[10]采用地形模型試驗方法對矮寨大橋的設計風特性進行了研究，結果表明橋址的風迎角、湍流度、風譜等與規范取值存在明顯差異。白樺等[11]對三水河大橋進行了地形模型試驗研究，結果表明該橋址沒有明顯的峽谷效應，但湍流度大。張玥等[12]對禹門口黃河大橋進行了地形模型試驗研究，結果表明橋面風特性與規范結果差異明顯。Li 等[13]對處于深切峽谷地帶的龍江大橋進行了地形模型試驗研究，結果表明平均風剖面從谷底往上變化復雜，必須分階段進行描述。

在山區橋梁的抗風研究中，設計風特性常通過地形模型風洞試驗來確定。地形模型風洞試驗本身無法定量地確定設計風速值的大小，但通常可以確定平均風速分布的定性規律、風迎角以及基本的湍流特性。然而，地形模型所覆蓋的范圍總是有限的，不同范圍大小的地形模型對橋址的風特性試驗結果必然存在影響，但影響有多大，地形模型范圍應當取多大是一個尚待研究的問題。

1 地形模型試驗

1.1 模型制作

圖1為某懸索橋的立面設計方案，該橋主跨約920m，跨越典型的深切峽谷。圖2為該橋橋址Google地形，圖中實線表示加勁梁位置。該橋址的峽谷兩岸為起伏不大的丘陵地貌。在垂直橋軸線的上游，峽谷走向接近正北方向；在下游，峽谷走向為東南方向。

圖1 某懸索橋立面設計方案

由圖可知，該橋所在環境的局部風特性非常明顯，根據中國《公路橋梁抗風設計規范》無法給出合理的設計風特性(如風迎角、湍流度和平均風速等),因此，地形模型試驗結果可提供有價值的參考。為研究不同規模地形模型對試驗結果的影響，制作4組不同規模的地形模型進行風洞試驗，主要測試加勁梁高度處的風特性。圖2分別給出4組不同規模的地形模型,表1給出了4組模型在東西(EW)、南北(SN)方向所覆蓋的實際地形跨度，其中最大的A模型覆蓋地形范圍水平投影面積為25km2，最小的D地形模型僅覆蓋1km2。地形模型縮尺比為1∶1000，A、B、C、D 4組模型在風洞中的阻塞比分別為8.8%、8.8%、3.9%和1.2%。圖3給出了4組地形模型在風洞中的照片。

圖2 4組不同地形模型的規模

圖3 風洞中的4組地形模型

表1 4組模型的地形跨度Table 1 Terrain spans in the 4 models

以橋軸線所在位置處的峽谷寬度與高度的平均值為特征尺度，對地形模型無量綱尺度η定義如下：

(1)

根據本文定義的橋位處峽谷的特征尺度與式(1)可得到4組地形模型的無量綱半寬度、從橋中心到東邊以及西邊的無量綱距離，如圖4所示。

圖4 地形模型的無量綱尺度

1.2 風洞試驗

風洞試驗中，按B類場地采用尖劈+粗糙元的方法模擬無窮遠處的來流特性，如圖5所示。圖6給出來流模擬得到的平均風速剖面以及3個方向的湍流度剖面，其中，Iuu為順風向湍流度,Ivv為橫風向湍流度，Iww為豎向脈動風湍流度。采用2個眼鏡蛇探頭進行風特性測試，如圖7所示。眼鏡蛇探頭具有圓錐體的設計特點，可測試與探頭主軸夾角在±45°范圍內的來流風速，該范圍內風速測試的典型誤差為0.5m/s。探頭1固定放置于地形模型前風速穩定的區域，并位于風速無明顯變化的高度范圍；探頭2安裝于風洞頂壁的電控移測架上，可前后、上下、左右移動，用于測試所關心位置的風特性。

圖5 來流風場模擬

試驗結果表明，來流風速一定的情況下，風向與河谷走向一致時,加勁梁高度處的風速接近最大。因此，東南(SE)方向為最不利風向工況。此外，SE風向時，由于氣流順著與風洞底板齊平的谷底進入，風特性受地形截斷的影響最小。鑒于這2個因素，以下固定SE風向來探討不同規模地形模型對試驗結果的影響。對于該風向，橋位到地形東端的無量綱距離將為影響風場特性的控制因素。由圖4可知，4組模型在該方向的無量綱跨度分別為5.20、3.70、2.20、0.75。

圖6 來流平均風及湍流度剖面

Fig.6Themeanwindandturbulenceintensityprofilesoftheincomingflow

圖7 眼鏡蛇探頭布置

2 平均風特性

2.1 平均風速特性

用眼鏡蛇探頭2所測得的山谷中的平均風速除以來流風速(探頭1所測風速,其位置見圖7)可得歸一化風速。圖8給出了左橋塔位置處歸一化的平均風速剖面。從圖中可知，A、B、C 3組不同范圍的地形模型所得到的結果已經沒有明顯的規模效應，表明3組模型的地形規模均已經足夠大而形成穩定的平均風剖面，其中A模型的結果位于B、C 2組模型結果之間。然而，最小的D模型所得到的結果與其他3組結果具有實質性的區別，具體體現在兩方面：(1) 風剖面更陡峭，即風速沿高度上升得更快；(2) 風速數值明顯低于A、B、C 3組結果，峽谷風速增大效應在D模型上基本消失。顯然，D模型的地形模型還不足以形成能夠反應實際情況的平均風場。

圖8 左橋塔處歸一化風速剖面

圖9給出加勁梁幾個主要控制點以及2個橋塔塔頂的歸一化平均風速。從圖中同樣可以看出4組不同規模地形模型之間的差異。與垂直方向的風剖面類似，A、B、C 3組模型的測試結果比較接近，尤其是A、B 2組模型的結果已經非常接近。但三者與D模型之間的差距明顯，主要體現在兩方面：(1) 風速差距明顯，最大達到30%左右；(2) 相比之下，D模型加勁梁3個控制點與兩塔頂的風速差異不明顯。

圖9 主要控制點的歸一化風速

2.2 平均風迎角特性

圖10給出各控制點所測得的平均風迎角。由圖可知：(1) A、B 2組規模的地形模型所得到的結果已經基本一致，C規模模型所得到結果在右側塔頂與A、B 2組模型有較大差異，其他點基本一致；(2) D模型測試結果與前3組模型差異明顯，集中體現在回勁梁跨中、右側四分點以及右橋塔頂；(3)與《公路橋梁抗風設計規范》建議的±3°風迎角相比，本文試驗所得風迎角遠超出規范建議的范圍。從較穩定的A、B 2組模型的試驗結果來看，加勁梁位置處風迎角沿水平向變化劇烈，最大約為+2°，最小為-10°。

圖10 主要控制點的平均風迎角

3 湍流特性

3.1 湍流度特性

圖11給出了左橋塔位置處4組模型所測得的湍流度剖面。從圖中可知4組模型所得到的湍流度剖面各不相同，沒有因為地形規模的增大而收斂。這說明，就湍流度剖面而言，目前所使用的地形規模還不夠大。另一方面，D模型的湍流度剖面在高度50～350m之間基本沒變化，保持在9%左右，這一特征與另外3個剖面明顯不同。

圖11 左橋塔位置處湍流度剖面Iuu

圖12給出橋面高度處各控制點的湍流度。從圖中可知，對于順風向湍流度Iuu，A、B 2組模型已經基本上取得較一致的結果，表明其規模效應已接近“收斂”，而C、D 2組模型則因規模明顯不足而表現出與A、B 2組模型結果有較大差距。豎向脈動風湍流度Iww與順風向類似。在兩塔塔頂，A、B、C模型基本取得了一致的結果，表明3組模型的規模在塔頂均滿足“收斂”要求。但在加勁梁位置C模型與A、B 2組模型存在明顯的差距。相比之下，D模型的結果相差較大，表明其地形規模不能滿足要求。

3.2 湍流功率譜

圖13給出了左橋塔以及加勁梁跨中的脈動風功率譜。從圖中可知，左橋塔100m高處，4組地形模型得到的順風向脈動風功率譜沒有十分明顯的差異。相比而言，豎向脈動風功率譜相差較明顯。與Kaimal譜相比，順風向功率譜在低頻處相差較大，而豎向功率譜則有相同的趨勢。對于加勁梁高度處的脈動風功率譜，A、B 2組模型已經十分接近，而D模型所得到的功率譜在高頻處與前三者有明顯的差距。