沿海開闊地區橋址風速空間分布規律研究

孟園英，王 俊，李加武

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510335；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

我國沿海地區受臺風和季風影響[1-2]，強風發生頻率高[3]。同時，大跨徑橋梁由于剛度低、阻尼小，屬于風致敏感結構，其抗風性能需要重點關注。確定橋址處的風速分布規律，是大跨徑橋梁抗風性能研究的基礎[4-5]。

一般來說，有3類方法可用以研究橋址處的風速分布規律，分別為現場實測[6-9]、數值模擬[10-11]和風洞地形模型試驗[12-15]。現場實測可以獲取橋址處可靠的風參數資料，但投資巨大，耗時耗力，一般觀測時間為1～3 a，且觀測位置有限，難以獲取橋址處多個位置長期的風速資料；隨著計算機技術的發展，數值模擬的方法也應用得更加廣泛，其克服了現場實測監測點有限的缺點，可以獲取計算域任意位置的流場信息，但是該方法的精度受到網格劃分、計算域設置、湍流模型等因素的影響，一般需要輔以現場實測或者風洞試驗的數據做驗證；風洞地形模型試驗結合了前兩者的優點，即可以設置多個監測位置，便于設置工況，可操作性強，被廣泛應用于橋址處的風速研究[14,16-17]。白樺等[12]設計了縮尺比1∶600的地形模型，通過對橋址處的地形模型試驗研究，發現山區風剖面不是均符合冪指數規律。王峰等[13]設計了縮尺比1∶3 000的地形模型，研究了峽谷地形橋址處的風速變化規律，發現展向的風速分布具有強烈的不均一性，且受來流風向和測點位置影響明顯。Li等[14]設計了縮尺比1∶1 000的地形模型，發現峽谷橋址地區風速變化不均一性強，橋塔位置風剖面可進行冪指數擬合，而主梁位置的風剖面可進行分段擬合。Song等[15]設計了縮尺比1∶2 000的地形模型，研究了橋址處的風速變化規律，發現山頂加速效應明顯。國內外學者通過地形試驗對橋址區的風參數進行了一系列研究，得到了豐富詳實的研究成果，但是對試驗結果的比較分析不夠深入，比如風速和地表粗糙度系數，多是又針對試驗結果做了一些闡釋。

本研究以洪奇門特大橋為工程背景，通過地形模型風洞試驗的方法研究了沿海開闊地區橋址場地的風速空間分布規律，然后通過試驗結果修正了規范法和加權平均法的風速值，并給出風速建議值，最后從地貌分塊的角度初步探討了地貌特征和相對位置對測點地表粗糙度系數的影響。本研究有一定的應用價值，對類似地區橋梁抗風設計具有參考意義。

1 工程背景

洪奇門特大橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，位于廣東省廣州市南沙區的紅港村與團結圍之間，橫跨洪奇瀝水道，橋面海拔高度約35 m，高于周圍建筑物和植被，橋梁主跨長520 m。橋址附近有成片的人工紅樹林，高度不超過10 m，周邊房屋分布較為零散，多為2～3層，每層高度約為3.6 m，總體來說橋址處地勢平坦，遮擋較少。橋址地形及橋型如圖1所示。

圖1 橋址地形及橋型示意圖

2 地形模型風洞試驗

2.1 地形模型設計

根據風洞試驗阻塞率[18]以及模型縮尺比的要求[19]，以及盡可能考慮到順橋向風參數的分布情況，因此，地形模型風洞試驗模擬橋址周邊方圓1.0 km 范圍的地形，如圖2所示，模型縮尺比為1∶500，模型半徑1.0 m。試驗時模型周邊采用長度為0.25 m的斜坡板模擬地形的漸變。模型的底部高度相當于海拔高度0 m，為洪奇瀝水道底部最低點海拔。模型平均高度小于0.1 m，阻塞率約0.1 m×2.5 m/(3.0 m×2.5 m)=3.3%<5%，阻塞效應可以忽略。

圖2 地形模型

模型材料采用泡沫塑料板，其形狀根據等高線信息打印成型。橋址處地形等高線圖由設計院提供，比例為1∶1 000。

2.2 試驗工況

地形模型風洞試驗在長安大學風洞實驗室CA-1大氣邊界層風洞中進行。壓力測量系統由美國PSI公司電子壓力掃描閥、A/D板、PC機、以及自編的信號采集及數據處理軟件組成，電子壓力掃描閥頻率為312.5 Hz，其量程為±254 mm水柱，用于橋址關鍵位置壓力的測量。本研究各測點風速由測壓數據轉換而來，滿足多點同步測量的要求。

根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的要求，以15°為間隔設計1個風向角，共24個風向角；另外，結合風荷載計算需要，選擇橋梁主跨跨中和四分點位置和橋塔位置為測點，共5個測點，共計120個工況，用來研究主梁關鍵位置的風速分布規律。風向角與測點位置如圖3所示。

圖3 風向角及測點

2.3 風洞試驗結果及分析

根據試驗結果，通過分析得到各測點不同風向角的風剖面規律，并用冪指數律進行擬合，由于篇幅有限，僅展示部分工況的風剖面及其擬合結果，具體如圖4所示。

從圖4中可看出，不同測點和不同風向角的試驗數據均能用冪指數函數擬合，與規范推薦的A類和B類風剖面較接近；同時，由于相關系數R2越接近1.0表征擬合效果越好，可以看出以跨中測點數據擬合的效果最優，說明橋址處來流受地形特征干擾小，均能得到充分發展，與抗風規范[18]推薦的冪指數規律吻合。不同測點處地表粗糙度系數的分布如圖5所示。

由圖4、圖5可知，測點位置和風向角對地表粗糙度系數的影響不是很明顯，地表粗糙度系數大多小于0.16，占比70.8%；絕大部分小于0.22，占比97.5%；其中分布在0.12～0.16之間的占比50.0%，介于A類～B類地表類型之間。需要注意的是，跨中測點的地表粗糙度系數均值為0.116，標準差為0.016，低于A類地表類型的0.12，需要進行進一步研究。由橋型布置圖可知，跨中位于洪奇瀝水道，為平坦開闊水面，粗糙度低；其他4個測點的地表粗糙度系數接近0.160，是受到河道周圍樹林、房屋的影響。

圖4 典型風速剖面及擬合結果

圖5 地表粗糙度系數分布

3 風速取值分析

為了確定橋址處的風速取值，使用規范法[18]和加權平均法[20]進行風速計算，然后在上一節內容的基礎上，對風速取值進行比較和修正。

3.1 規范法

按照《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的建議，根據中山市的風速資料，偏保守地選定橋址處為A類地表類型，得到不同重現期橋梁的設計基準風速Us10，具體見表1。

表1 不同重現期橋梁設計基準風速

3.2 加權平均法

一般而言，橋址處的地形條件與橋址附近氣象站的場地條件有所區別，特別是山區地形下，因此需要考慮不同粗糙度和不同標準高度之間的換算。相鄰不同場地且不同離地高度的風速均值換算可采用指數律方法[20]，如式(1)所示：

(1)

式中，U和Us為橋址處的風速和氣象臺的風速;z和zs為橋址處的基準高度和氣象臺的基準高度;zg和zsg為橋址處的邊界層高度和氣象臺的邊界層高度;α和αs為橋址處的冪指數和氣象臺風速觀測的冪指數。

此外，當橋址處有3個或3個以上的氣象臺站時，可利用相鄰若干測站的基本風速進行加權平均計算，得到橋址處現場基準高度處的設計基準風速。

考慮到加權因素比較復雜，簡單起見，僅考慮橋址與風速測站之間的距離作為加權因素，一般采用如下加權平均方法[20]，如式(2)所示：

(2)

式中，m為橋址處氣象臺站的個數;x,x1,x2,xm,xi分別為橋址處、第1個氣象站處、第2個氣象站處、第m個氣象站處、第i個氣象站處的基準風速；η1,η2,ηm,ηi分別為第1個氣象站處、第2個氣象站處、第m個氣象站處、第i個氣象站處與橋址處的距離權重。設第i個氣象臺站與橋址處的距離為di(i=1,2,…,m)，則有：

(3)

按照設計院給出的3個站點100 a重現期的最大風速作為其基本風速，首先計算3個站點的距離權重，再依據風剖面服從冪指數律的關系，計算各站點的梯度風速，然后由加權平均的方法得到橋址處的梯度風速，最后換算到橋址處的設計風速[20]，具體見表2。

表2 橋址設計基準風速計算與修正

3.3 風速修正

根據橋址處地形模型風洞試驗的試驗結果，結合橋梁特點和抗風需求，偏安全地選取跨中的地表粗糙度系數為修正值，跨中處地表粗糙度系數α可取為0.116，小于A類地表規范值0.12，接下來使用試驗結果來修正橋址處10 m高度處100 a重現期的設計基本風速Us10。

首先，對于規范法，當地表粗糙度系數α為0.116時，小于A類地表規范值0.12，按在A類～B類之間進行線性插值得到梯度風高度H1：

(4)

根據規范可得出該地區100 a重現期內的基本風速U10=32.80 m/s，再根據式(1)，兩類地表的梯度風高度風速一致性可得：

(5)

U1s10=1.192 8U10,

(6)

U1s10=39.12 m/s,

(7)

式中，U1s10為換算的設計基準風速。

最后，對于加權平均法，當地表粗糙度系數α為0.116時，類似地得到橋址處修正的風速，如表2所示。

綜上所述，通過規范法和加權平均法得到洪奇門特大橋橋址10 m高度處100 a重現期的橋梁設計基本風速，見表3，其中Us10采用規范A類地表粗糙度系數0.12，修正Us10采用地形模型風洞試驗測定的地表粗糙度系數0.116。采用加權平均法得到的風速為43.98 m/s，比規范推薦風速高14.2%，兩者相差較大，原因可能是附近測站的氣象數據測量時間較短和地形更為平坦。通過地形模型試驗得到的數據進行風速修正，得到的風速均比規范數值和加權平均數值高1.7%，分別為39.12 m/s和44.67 m/s，原因可能是橋址跨中處的地形特征比A類地表更為平坦。

表3 設計基準風速對比

經比較發現，加權平均法給出的數值過于保守，故在風速取值上不考慮加權平均法的結果。進一步考慮到地形模型風洞試驗結果與規范推薦的冪指數分布規律吻合效果良好，偏保守地以跨中試驗結果來修正規范法的風速值，故建議取洪奇門特大橋橋址10 m高度處100 a設計基準風速值為39.12 m/s。另外，本研究表明沿海開闊地區的風速標準可能需要進行修正。

4 非均勻地貌對地表粗糙度系數的影響

結合上一節內容可知，跨中地表粗糙度系數最小值為0.09，均值為0.116，兩者均低于A類地表粗糙度系數0.12，導致跨中測點的修正風速比規范給出的風速提高1.7%；如果橋址處取B類地表，則100 a設計基準風速為32.80 m/s，風速將提高19.4%。鑒于此，提出地貌分塊的概念，對橋址處的地形起伏程度、地貌特征，如建筑高度和密度、植被覆蓋率等方面，將橋址處地貌進行分類分塊。本研究計劃從測點相對位置和小區域地形地貌特征的角度，借鑒第3節加權平均法的思路，初步探索沿海開闊地區局部地形地貌和相對位置對地表粗糙度系數的影響。

其基本步驟如下：

(1)根據地形等高線、地形分布特征等將其分為A(西南建筑)、B(中央水道)和C(東北樹林)3個區域，如圖6所示。

圖6 地貌分塊示意圖

(2)計算3個小區域的面積，標定其形心位置，測量測點和形心之間的距離，如表5所示。

(3)根據規范建議，設定各小區域地形粗糙度指數初始值。

(4)使用加權平均法、式(2)、式(3)，分析測點相對位置和小區塊面積的權重系數。

(5)以跨中測點和兩側橋塔測點的地表粗糙度系數計算值與試驗值最小相對誤差為目標值，確定測點地貌面積權重和測點相對位置權重，初步得到相對位置和局部地貌對地表粗糙度系數的影響，如圖7所示。

圖7 地貌權重與誤差

由表4和圖7可知，地貌權重與誤差呈負線性相關關系，且當地貌權重為0.58，位置權重為0.42時，地貌粗糙度指數計算值與試驗值相對誤差最小，為0.01%。這說明在考慮地貌局部特征時，測點位置對地表粗糙度系數的影響也是不可忽略的，這也能較好地解釋5個測點的地表粗糙度系數相差較大的原因。建議在后續研究中，對相關內容進行細化分析。

表4 地貌分塊參數

5 結論

為了研究沿海開闊地區橋址處的風速空間分布規律，通過開展地形模型試驗，主要得到以下結論：

(1)通過開展橋址區地形模型風洞試驗，擬合試驗數據，研究發現橋址處地表粗糙度系數分布較為集中，大部分地表粗糙度系數分布在A類地表～B類地表之間，說明在沿海開闊地區，地形平坦，幾乎無遮擋，來流風向和測點位置對風速發展的影響較小。

(2)對比規范法和加權平均法，偏保守地選取跨中測點的地表粗糙度系數平均值進行風速修正，修正風速較傳統風速增加1.7%，可給出較合理的橋址10 m高度處100 a重現期的設計基準風速。

(3)從地貌分塊的角度，根據地貌面積權重和測點相對位置權重，定量分析局部地貌特征和測點相對位置對地表粗糙度系數的影響，地貌權重比位置權重高16%。