西部山區(qū)U型峽谷橋位處風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究★

柯 勇，裴 城

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041； 2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

“交通強(qiáng)國(guó)”是我國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，我國(guó)公路、鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，而我國(guó)西部地區(qū)山區(qū)眾多，在我國(guó)西部山區(qū)建設(shè)大跨度橋梁跨越深切峽谷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。而西部山區(qū)山嶺褶皺緊密，斷層成束，地形起伏，地貌復(fù)雜，山嶺多雪峰冰川，垂直溫差大，因此小區(qū)域環(huán)流及定時(shí)風(fēng)等特點(diǎn)相當(dāng)突出，山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)環(huán)境不但受大氣季風(fēng)環(huán)流的控制，而且還受到海拔高度、局部地形、晝夜溫差等因素的影響，表現(xiàn)出不同于平原和沿海地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性[2]。特殊的山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)致橋梁風(fēng)荷載以及風(fēng)致響應(yīng)特征顯著不同于平原和沿海地區(qū)，目前，國(guó)內(nèi)各類設(shè)計(jì)規(guī)范均是適用于平坦地形地貌的風(fēng)場(chǎng)條件，如繼續(xù)按照抗風(fēng)規(guī)范中的風(fēng)場(chǎng)建議取值，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將帶來(lái)隱患[3]。

橋梁施工技術(shù)和施工設(shè)備的進(jìn)步促進(jìn)了越來(lái)越多的大跨度懸索橋的建設(shè)，然而大跨度懸索橋梁結(jié)構(gòu)輕柔容易受到風(fēng)的影響[4]。因此，當(dāng)前的研究目的在于準(zhǔn)確估計(jì)風(fēng)特性，以研究橋梁的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。目前，通過(guò)對(duì)橋梁斷面的改變以及提高斷面的剛度，基本上可以預(yù)防橋梁在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)發(fā)生渦振以及顫振問(wèn)題。由于橋面寬度的增加，由脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)引起的抖振不容忽視，而山區(qū)風(fēng)場(chǎng)的基本特點(diǎn)是脈動(dòng)性較強(qiáng)。橋位處風(fēng)場(chǎng)特性是大跨度纜索橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，而橋位處風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)是最直接有效的手段[5]。龐加斌等[6]在四渡河大橋所處峽谷建立測(cè)風(fēng)塔對(duì)峽谷風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)峽谷風(fēng)攻角離散度高、均值偏大，而紊流積分尺度低于平原及沿海地區(qū)。張明金和李永樂(lè)等[7]對(duì)大渡河大橋橋址區(qū)的風(fēng)特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)橋位處的陣風(fēng)系數(shù)和地表粗糙度系數(shù)均比相關(guān)規(guī)范中常規(guī)平原地區(qū)的推薦值大；任萬(wàn)敏等[8]發(fā)現(xiàn)山區(qū)風(fēng)場(chǎng)短時(shí)內(nèi)有較強(qiáng)的非平穩(wěn)特性，對(duì)山區(qū)超大跨度橋梁建設(shè)應(yīng)進(jìn)行非平穩(wěn)響應(yīng)研究。

本文基于西部山區(qū)一典型U型峽谷，通過(guò)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了山區(qū)U型峽谷平均風(fēng)特性和脈風(fēng)特性，該實(shí)測(cè)結(jié)果可為山區(qū)風(fēng)場(chǎng)研究提供參考。

1 風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)儀器及布置

橋址南岸分別架設(shè)了高度50 m和30 m的測(cè)風(fēng)塔(見(jiàn)圖1)。其中50 m測(cè)風(fēng)塔包含了2臺(tái)三維超聲風(fēng)速儀和5臺(tái)螺旋槳機(jī)械風(fēng)速儀，30 m測(cè)風(fēng)塔包含3臺(tái)螺旋槳機(jī)械風(fēng)速儀(見(jiàn)圖2)，兩種儀器相輔相成，保證每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

2 風(fēng)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

山區(qū)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)速儀易受到周圍環(huán)境噪聲等因素影響，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和精確性，首先利用萊茵達(dá)準(zhǔn)則[9]剔除壞點(diǎn)，另一方面利用脈動(dòng)風(fēng)速譜判斷數(shù)據(jù)的正確性[10]。

2.2 風(fēng)參數(shù)計(jì)算方法

(1)

(2)

3 風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 平均風(fēng)場(chǎng)特性

3.1.1 平均風(fēng)速

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較大的為水平向平均風(fēng)速，為清晰反映橋位處風(fēng)速大小的分布規(guī)律，我們選取水平向平均風(fēng)速較大的日期列入表2中，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 風(fēng)場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式

表2 大風(fēng)天日期

從圖3可以得到，橋位處一天內(nèi)橫向風(fēng)速分布規(guī)律為：12:00～24:00風(fēng)速較大，而其他時(shí)間風(fēng)速較小，具有明顯的時(shí)間規(guī)律，這種現(xiàn)象很可能由于當(dāng)?shù)仃?yáng)光照射地表加熱，引起局部對(duì)流所致；順橋向無(wú)明顯規(guī)律，全天任意時(shí)刻均有可能出現(xiàn)較大的風(fēng)速，但下午出現(xiàn)頻率稍稍多一些。

3.1.2 平均風(fēng)向

風(fēng)向變化情況采用風(fēng)向玫瑰圖表示。觀測(cè)期間平均風(fēng)場(chǎng)的各層風(fēng)向規(guī)律基本一致，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)和東風(fēng)，為清晰反映橋位區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向分布情況，50 m測(cè)風(fēng)塔50 m處的超聲風(fēng)速儀結(jié)果如圖4所示。平均風(fēng)向和峽谷走勢(shì)相同。

3.1.3 平均風(fēng)攻角

風(fēng)攻角指風(fēng)的來(lái)流方向與水平面之間的夾角，它是由于不均勻的地形起伏使得氣流被強(qiáng)制抬升或下沉產(chǎn)生，其次，在一些特殊天氣情況下如熱帶風(fēng)暴、龍卷風(fēng)等也可能導(dǎo)致風(fēng)攻角的變化。風(fēng)攻角對(duì)柔性結(jié)構(gòu)尤其是大跨度柔性結(jié)構(gòu)的影響尤為突出，風(fēng)攻角的長(zhǎng)期作用會(huì)加速結(jié)構(gòu)的疲勞破壞；強(qiáng)風(fēng)時(shí)，風(fēng)攻角的改變可能造成結(jié)構(gòu)的突然損傷或破壞。50 m測(cè)風(fēng)塔50 m處的超聲風(fēng)速儀結(jié)果如下。從結(jié)果來(lái)看，風(fēng)攻角的變化范圍很大，而風(fēng)速越大風(fēng)攻角越接近于0(見(jiàn)圖5)。

3.2 脈動(dòng)風(fēng)特性

3.2.1 脈動(dòng)風(fēng)速譜

同樣脈動(dòng)風(fēng)速特性僅列出了50 m測(cè)風(fēng)塔50 m高度處超聲風(fēng)速儀的結(jié)果。公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中[11]推薦高度為Z，平均風(fēng)速為U(Z)的順風(fēng)向和豎向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度分別采用Simiu譜和Panofsky譜，將實(shí)測(cè)譜與Simiu譜和Panofsky譜進(jìn)行比對(duì),如圖6所示，從圖6中可以看出實(shí)測(cè)譜與Simiu譜和Panofsky譜都很接近，特別是Panofsky譜與實(shí)測(cè)譜幾乎一樣。其中實(shí)測(cè)譜在低頻率段和Simiu譜很接近，但是在一定的頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)譜偏小，分析原因有兩個(gè)：一是測(cè)風(fēng)塔接近谷底，受周圍地形、植被和建筑物等的干擾較大；二是數(shù)據(jù)處理時(shí)，實(shí)測(cè)風(fēng)速很小，平均風(fēng)速超過(guò)10 m/s的情況屈指可數(shù)，采用的截?cái)囡L(fēng)速為5 m/s，低風(fēng)速不穩(wěn)定。

3.2.2 紊流積分尺度

通過(guò)對(duì)整個(gè)觀測(cè)期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)湍流積分尺度分析，觀測(cè)期內(nèi)橋位處三個(gè)方向上紊流積分尺度的平均值為：Lu=128.54，Lv=125.81，Lw=37.06?？梢?jiàn)順風(fēng)向紊流積分尺度最大，橫風(fēng)向次之，豎向積分尺度最小。同時(shí)和沿海及平原地區(qū)相比，U型峽谷紊流積分尺度較小。

3.2.3 紊流強(qiáng)度

在測(cè)量周期內(nèi)，其三個(gè)方向的平均值分別為Iu=0.194,Iv=0.173，Iw=0.110。因此Iu∶Iv=1∶0.89，與橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中建議的0.88相比，實(shí)測(cè)結(jié)果與規(guī)范給定值非常接近，而Iu∶Iw=1∶0.57，與橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中建議的0.50相比，實(shí)測(cè)結(jié)果比規(guī)范給定值略微偏高。

4 結(jié)論

本文為研究西部山區(qū)峽谷橋位處風(fēng)場(chǎng)特性，通過(guò)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)月的風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：1)山區(qū)U型峽谷風(fēng)速變化劇烈，在測(cè)量期間，風(fēng)速較大值均出現(xiàn)在12:00～20:00，有明顯的規(guī)律性。2)而在觀測(cè)期，主要風(fēng)向始終與峽谷走向保持一致。這表明，在山區(qū)峽谷中所建橋梁面臨的風(fēng)偏角將主要由橋軸線和峽谷走向的夾角所決定。3)山區(qū)U型峽谷風(fēng)攻角受地形影響較大，風(fēng)攻角變化范圍較大，同時(shí)風(fēng)攻角隨風(fēng)速的增大而減小，出現(xiàn)明顯的“集中效應(yīng)”。4)山區(qū)U型峽谷脈動(dòng)風(fēng)特性與沿海地區(qū)有所不同，同時(shí)脈動(dòng)風(fēng)譜、紊流強(qiáng)度等風(fēng)參數(shù)與規(guī)范建議值有所區(qū)別。因此在設(shè)計(jì)山區(qū)峽谷大跨度橋梁時(shí)，應(yīng)對(duì)其風(fēng)場(chǎng)展開(kāi)專項(xiàng)研究。