復雜地形橋位風場特性實測研究

薛亞飛

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著我國經濟的發展，公路建設也發展迅速。大跨、特大跨徑橋梁相繼在我國各地建設完成。抗風問題對于大跨徑橋梁非常重要。大跨徑橋梁橋址處風場特性參數的確定對大跨徑橋梁的設計風荷載以及抗風性能的評估有著非常重要的影響。如果大跨徑橋梁橋址處地形較為復雜，則其橋址處的實際風場特性參數會和橋梁抗風規范中給出的出入很大，其經驗參數不能真實反應橋址處實際的風場特性，從而不能正確地模擬橋址處風場。

我國橋梁抗風領域的研究方法主要有：風場實測、風洞實驗和數值模擬，橋址的風場實測是橋梁抗風領域最為直接且有效的研究方法。本文以山西臨猗黃河特大橋橋址處風場特性參數的獲取為依托，來進行復雜地形橋址處的風場特性參數的實測研究。

1 風特性實測儀器以及風特性觀測塔高度的確定

在風特性觀測儀器以及觀測塔高度確定前，對我國國內已建成的多座大橋橋址處風場實測系統進行了調研，其中，蘇通長江大橋觀測塔最高85m，各實測實例中常用風特性觀測高度為10m、20m、30m、60m。根據國內風場特性實測經驗，給出臨猗黃特大橋橋址處觀測塔塔高取85m，風特性觀測高度取10m、30m、50m、80m。其中，10m高度和80m高度處安裝了三維超聲風速儀，10m、30m、50m高度處安裝了二維機械式風速儀。

2 平均風特性

平均風的特性包括橋址處的基本風速、風速在高度方向上的分布規律以及主要風向等。根據《地面氣象觀測規范》的第19.5.2條規定對橋址處的實測數據進行處理得到平均風速。其中，月平均風速是以“天”為單位的子樣本的數據進行處理得到各觀測層的子樣本的平均值，再對各觀測層在該月的各天的平均值進行平均，從而得到該月份各觀測層的風速的平均值。月極大風速是對每天的實測風速數據以3s為時距，1s為步長，對每個觀測層的實測數據進行“滑動”平均計算，然后取各層風速數據每天的最大值，從而得到當天的極大風速，最后取每個月每天的極大風速的最大值作為該月的3s時距的極大風速。月最大風速是先對每天的實測風速數據以10min為時距，1min為步長進行“滑動”計算得到每天的10min最大風速，最后按照1個月為單位取當月最大值，作為該月10min時距月最大風速。

在氣象學中，常采用風向玫瑰圖的形式來表示風向發生的頻率分布，即風向頻率分布圖。風向玫瑰圖是基于某風場實測的風向的百分比繪制而成，一般用8或者16個羅盤方位進行表示，因為其形狀像玫瑰花，所以稱之為風向玫瑰圖。風向玫瑰圖可以直觀的表達出樣本數據的風速分布情況。

在附近無建筑物遮擋的開闊地域，其風速在豎直方向是沿著高度的增加逐漸增大的，風速隨著高度的增高而增大的曲線稱之為風速輪廓線。我國抗風規范中引入風剖面指數α來描述風速在高度上的變化規律。

通過對實測期間數據的處理得出臨猗黃河特大橋觀測塔處距離地面10m、30m、50m、80m處的平均風速分別為2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s。觀測到的最大風速是18.3m/s，極大風速是23.1m/s，均出現在80m觀測高度；橋址附近的風向主要以東北風為主風向。分別以10m和80m處的實測風速為基準風速推算得到觀測塔處的風剖面指數為0.275和0.270，風速的垂直變化基本符合規范規定的冪指數規律分布。

3 脈動風特性

風的運動具有不規則的特性，風向和風速都是隨著時間的變化而變化的。脈動風的特征參數包括陣風因子、紊流強度、紊流積分尺度以及功率譜等。下面通過對風速儀采集數據的分析處理得到臨猗黃河特大橋橋址處的風場脈動風的特征參數。

陣風因子是表征脈動風脈動特征的參數之一，陣風因子為瞬時風速與平均風速的比值。通過對橋址處實測數據的分析處理，得到10m觀測層處順、橫、豎風向的陣風因子平均值為：1.59、0.72、0.32，80m觀測層處順、橫、豎風向的陣風因子平均值為：1.24、0.36、0.23。通過與李愛群、鄧楊等人對潤揚長江大橋處、武站科等人在上海金融環球中心上的實測風場的陣風因子的對比可以看出，陣風因子和風場的實際環境關系密切，所以對于不同的風場進行實測還是非常有必要的。

紊流強度是表征風的脈動強度的參數，其定義為10分鐘時距脈動風風速的均方根與脈動風水平方向平均風速的比值。通過對橋址處實測數據的處理，得到橋址處10m觀測層處順、橫、豎風向的紊流強度平均值分別為：0.25、0.18、0.13，其比值為1:0.73:0.54；80m觀測層處順、橫、豎風向的紊流強度平均值分別為：0.12、0.1、0.09，其比值為1:0.88:0.73。橋梁抗風規范關于脈動風順、橫、豎風向的紊流強度推薦比值為1:0.88:0.5。規范中給出10m、80m高度處順風向的紊流強度推薦值分別為0.17和0.13。本橋址處10m和80m高度處的實測紊流強度分別為0.25和0.12。10m高度處的紊流強度實測值高于規范推薦值，80m高度處的紊流強度實測值和規范推薦值接近，說明離地面較近時，地面對紊流強度的影響較為明顯。

紊流積分尺度是表征氣流中的紊流旋渦的平均尺度，紊流積分尺度的大小決定了脈動風對結構作用的影響范圍。通過對實測數據的處理，得到橋址處10m觀測層處順、橫、豎風向的紊流積分尺度平均值分別為：48.9m、35.8m、5.8m，80m觀測層處順、橫、豎風向的紊流積分尺度平均值分別為：183.5m、111m、48.9m。橋梁抗風規范給出了10m和80m高度處橫風向和豎風向的紊流積分尺度的基準值：10m高度處為50m和20m，80m高度處為140m和70m。通過與規范給出的基準值比較發現，臨猗黃河特大橋橋址處的風場受周圍環境的影響較大。

功率譜密度函數是表征平穩隨機的過程中主要數字特征，它表示紊流中各個頻率出現的概率的大小。我國的《公路橋梁抗風設計指南》中給出脈動風功率譜的計算方法為：Simiu譜和Panofysky譜。通過對橋址處實測數據的分析處理，得出10m和80m處順、豎風向的脈動風的功率譜曲線與設計指南中推薦的功率譜擬合較好。10m和80m高度處的擬合結果相比較，80m高度處的功率譜的擬合程度要好于10m高度處的功率譜的擬合程度。

4 結語

通過對臨猗黃河特大橋橋址處風場特性的實測研究，可以得出以下主要結論：

（1）臨猗黃河特大橋橋址處平均風速基本服從冪指數規律分布，風剖面指數實測擬合值為0.27，介于規范推薦的C、D類地表之間。（2）10m高度處順、橫、豎風向的陣風因子平均值為:1.59、0.72、0.32，80m高度處順、橫、豎風向的陣風因子平均值為:1.24、0.36、0.23。（3）10m高度處的紊流強度實測值高于規范推薦值，80m高度處的紊流強度實測值和規范推薦值接近。（4）橋址處10m高度處順、橫、豎風向的紊流積分尺度平均值分別為：48.9m、35.8m、5.8m，80m高度處順、橫、豎風向的紊流積分尺度平均值分別為：183.5m、111m、48.9m。（5）10m和80m高度處順、豎風向的脈動風的功率譜曲線與設計指南中推薦的Simiu譜和Panofysky譜擬合較好。