起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場影響的研究

崔雄飛

【摘 要】隨著改革開放的進行和社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的步伐逐漸加快，國家公路網(wǎng)規(guī)模在不斷發(fā)展變化中出現(xiàn)了更為巨大的需求，高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開始發(fā)生了歷史性轉(zhuǎn)變。高速公路的飛速發(fā)展使我國的交通系統(tǒng)更加完善，促進了城鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，推動了我國城鎮(zhèn)化的進程。因此，為了不斷推動我國高速公路不斷發(fā)展，本文將針對起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響展開研究。

【關(guān)鍵詞】起伏地形；高速公路；風場

近年來，隨著交通事業(yè)的高速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，山區(qū)高速公路的建設(shè)日益增多，由于山區(qū)地形較為復(fù)雜，很多區(qū)段都會架設(shè)高速公路橋梁段，以達到跨越不同的地形地貌、實現(xiàn)地區(qū)間交互聯(lián)通的效果。目前，橋梁風工程的研究主要集中在風荷載計算、抗風設(shè)計、平坦地形條件下橋梁區(qū)域風場的數(shù)值模擬等方面，缺少對起伏地形條件下高速公路橋梁段區(qū)域風場的研究。基于這樣的現(xiàn)實情況，本文的研究則更加具有實用性。

1 高速公路建設(shè)對環(huán)境的影響

在研究起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場之前，首先應(yīng)該明確高速公路的建設(shè)對周圍環(huán)境的影響，只有在此基礎(chǔ)上才能夠?qū)ζ鸱匦蔚挠绊懽鞒稣_的判斷。

1.1 影響生態(tài)環(huán)境

修建高速公路的過程中，必然會發(fā)生填筑、開挖、橋隧施工、修筑便道等施工活動，這樣會造成植被破壞、改變原有的地表環(huán)境、引起水土流失，直接導(dǎo)致生物死亡率的上升，惡化了動物棲息的生態(tài)環(huán)境。生物自然生活環(huán)境遭到物理性破壞，從而降低生物多樣性。

1.2 影響環(huán)境的物理性與化學(xué)性

高速公路建設(shè)改變了所在區(qū)域的土壤密度、土壤水分含量、溫度、光照強度、地表徑流，增加了煙塵、顆粒物等大氣污染。不僅如此，關(guān)于高速公路建設(shè)對環(huán)境的化學(xué)性影響的研究比較多，化學(xué)影響主要來源于交通運輸過程中釋放的化學(xué)物質(zhì)對空氣、水、和生物的污染。

1.3 對環(huán)境產(chǎn)生阻隔效應(yīng)

髙速公路作為一種重要的交通設(shè)施，會阻隔一些自然過程，如改變地面水流方向、影響植物擴散、阻礙動物在道路間的活動等。道路的阻隔將動物種群分割為多個小的局域種群，減弱了動物對環(huán)境的適應(yīng)能力，導(dǎo)致種群滅絕率增加。

2 大氣邊界層風場特性

在明確了高速公路對環(huán)境的影響后，本文將針對大氣邊界層風場的特性進行研究，從而分析出起伏地形對于高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響。

風是空氣相對于地面的運動。由于太陽對地球上大氣加熱和溫度上升的不均勾性，從而在地球相同高度的兩點產(chǎn)生壓力差，這樣，使不同壓力差的地區(qū)產(chǎn)生了趨于平衡的空氣流動，這便是風產(chǎn)生的根本原因。地球表面的摩擦?xí)諝馑竭\動產(chǎn)生阻力，從而使氣流速度降低，隨著高度的增大該阻力對氣流的作用逐漸減弱，當超過了一定的高度之后，這種地面摩擦的影響就可以忽略不計。氣流將沿等壓線以梯度風流動，稱這一髙度為大氣邊界層高度或邊界層厚度。在邊界層以上的大氣稱為自由大氣，以梯度風速流動的起點高度稱作梯度風高度。

一般地，自然風可以分解為兩個部分：第一部分是長周期，其周期大小一般在以上；另一部分是短周期，其周期往往只有幾秒至幾十秒。第一部分的作用屬于靜力性質(zhì)，稱為平均風；而第二部分屬于隨機的動荷載，稱為脈動風。

2.1 平均風

平均風是在給定時間內(nèi)，風力大小、方向等不隨時間改變的量。平均風特性主要指場地基本風速，風速沿高度的變化曲線的規(guī)律等等，定義基本風速涉及地面粗糙度標準、高度標準、重現(xiàn)期與時距標準個因素的選取。我國《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》規(guī)定當橋梁所在地區(qū)的氣象臺站具有足夠的連續(xù)風速觀測數(shù)據(jù)時，可采用當?shù)貧庀笈_站年最大風速的概率分布類型，由平均年最大風速推算年重現(xiàn)期的數(shù)學(xué)期望值作為基本風速。在大氣邊界層中，平均風速隨高度的變化而變化，且隨建筑物所在區(qū)的地貌地表粗糙度而變化，其變化規(guī)律稱為風速剖面。而氣象學(xué)家一般釆用對數(shù)律表示強風風速剖面，在高度內(nèi)可以有效地模擬實際風速分布。相比對數(shù)律來說，指數(shù)律計算更加方便，且計算結(jié)果基本相同，我國《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》采用的就是指數(shù)律。

2.2 脈動風

脈動風速是指在某時刻空間某點的瞬時風速與平均風速的差值，它能夠反映大氣邊界層中自然風的瑞流特性，瑞流特性對工程結(jié)構(gòu)的作用十分重要。表征風的脈動分量的參數(shù)主要包括瑞流強度和瑞流積分尺度，脈動風的風速譜和相干函數(shù)。

3 起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響

3.1 迎風側(cè)起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響

當起伏地形高度低于橋面高度時，一部分氣流穿過橋底，在地形背風側(cè)與橋壤之間存在一個沿橋長方向分布的風速梯度帶，起伏地形高度越大，風速梯度越大。氣流遭遇橋墩之后，發(fā)生分離、再附的現(xiàn)象，并在橋墩兩側(cè)附近匯聚，風速增大。氣流穿過橋底，風速變化趨于平穩(wěn)，在背風面橋后側(cè)形成了狹長的風速尾流區(qū)。

當起伏地形高度大于橋面高度時，氣流繞過起伏地形之后，在其背側(cè)產(chǎn)生旋禍，故地形背風面存在沿橋長方向分布的低速區(qū)，起伏地形高度越大，旋禍發(fā)展越強烈，低速區(qū)范圍越大。氣流穿過橋底，由于地形背風區(qū)域旋禍的影響，橋底區(qū)域的風場分布產(chǎn)生了較大的改變，起伏地形高度越大時，旋潤發(fā)展越劇烈，風向越混亂，橋底區(qū)域的風場分布越復(fù)雜；起伏地形高度較小時，迎風面護欄內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較為明顯的旋禍，離橋面高度范圍內(nèi)存在沿橋梁高度方向分布的風速梯度帶。

復(fù)雜地形條件下，地形背風側(cè)產(chǎn)生較大的旋禍，橋底區(qū)域的風場分布較為復(fù)雜；位于支點處的橋面上方區(qū)域風速較低。來流在繞過地形和橋面的過程中，單一地形條件下的風速比復(fù)雜地形條件下的風速要大。這說明地形越復(fù)雜，橋面上方的風速值越小。

3.2 背風側(cè)起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響

氣流經(jīng)過橋底區(qū)域時，受到背風側(cè)地形的影響，導(dǎo)致橋底區(qū)域的風速有逐漸減小的趨勢。起伏地形高度越大，橋底區(qū)域的風速越小；氣流穿過橋底后，遭遇起伏地形的阻礙，風速逐漸降低，故地形迎風側(cè)存在一個風速梯度帶，起伏地形高度越大，風速梯度越大。氣流繞過橋墩，在橋墩與地形之間產(chǎn)生回流，故在橋墩背側(cè)存在低速區(qū)；背風側(cè)起伏地形條件下，氣流繞過迎風側(cè)護欄，護欄內(nèi)側(cè)產(chǎn)生旋渦，起伏地形高度越大，旋渦產(chǎn)生的范圍越大。

離橋面5m高度范圍內(nèi)，不同起伏地形高度的條件下，橋面上方區(qū)域的風速變化趨勢大致相近，但是風速梯度明顯不同，隨著起伏地形高度的增加，風速梯度越大，橋面上方的風速越小；復(fù)雜地形對橋底區(qū)域的風場影響較大，地形越復(fù)雜，橋底區(qū)域的風速越小。在橋面上方1.5m處，復(fù)雜地形條件下的風場分布更加復(fù)雜，渦流發(fā)展更為劇烈；在離橋面高度5m范圍內(nèi)，單一、復(fù)雜地形兩種條件下的風速變化趨勢大致相近。復(fù)雜地形條件下的風速略小于單一地形條件下的風速。

結(jié)束語

本文在分析了高速公路建設(shè)對環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，詳細介紹了大氣邊界層風場的特性，并有針對性地分析了平均風與脈動風，并最終從迎風側(cè)起伏地形、背風側(cè)起伏地形兩個角度總結(jié)出了起伏地形對高速公路橋梁段區(qū)域風場的影響，希望能夠為今后的高速公路橋梁區(qū)域建設(shè)提供一定的理論支持。

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