矮寨懸索橋橋址風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析

金 磊,王修勇,廖建宏,陳政清

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湘潭411201;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,長沙410008;3.湖南大學(xué)風(fēng)工程研究中心,長沙410082)

以矮寨特大懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?介紹一種結(jié)合地形設(shè)計(jì)的山區(qū)峽谷高空風(fēng)環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng),利用它對橋址處的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行長期監(jiān)測,獲得了橋址處峽谷地形風(fēng)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)。

1 矮寨大橋峽谷高空風(fēng)環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng)

1.1 工程概況

矮寨大橋是吉茶高速公路上一座特大懸索橋,主跨1176 m,橋位屬于典型的峽谷地形,平均坡角達(dá)40°,谷深330 m,橋梁結(jié)構(gòu)柔性大,抗風(fēng)要求高[2].為確保大橋在風(fēng)荷載作用下的靜動(dòng)力性能以及為橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供計(jì)算資料,橋位處的風(fēng)場特性觀測尤為重要.

1.2 觀測系統(tǒng)布置及設(shè)計(jì)

為了觀測橋面水平的風(fēng)特征,設(shè)立了一個(gè)新型懸索吊掛式風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)由兩個(gè)EZD-IV型梯度測風(fēng)站組成,其中一套為梯度峽谷測風(fēng)站,測量橋面水平線附近的3個(gè)設(shè)定點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速,該測風(fēng)站在矮寨大橋上游側(cè)距橋軸60 m處架設(shè)一根長達(dá)1300 m的鋼絲繩,兩端錨固點(diǎn)高出橋面標(biāo)高80～100 m,分別在鋼絲繩跨中布置1號、2號風(fēng)速儀,安裝在懸掛鋼管兩端,高差為10 m,四分點(diǎn)處布置3號風(fēng)速儀,系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖1所示.此外在峽谷底部距離地面約16 m的房屋上設(shè)立單測站,布置4號風(fēng)速儀,測定一個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在主鋼絲繩上每隔5～6 m布置一個(gè)滑輪,滑輪下布置一根直徑為8 mm鋼絲繩,信號線、避雷線均固定在小鋼絲繩上,當(dāng)風(fēng)速儀需要維修時(shí),可以通過牽引小鋼絲繩將裝置拖到岸側(cè).為了避免大風(fēng)時(shí)懸吊鋼管發(fā)生大幅擺動(dòng),懸掛裝置均采用上下長度相等圓管,通過在下部鋼管內(nèi)配重使其保持豎直,而且在整個(gè)外站系統(tǒng)中架設(shè)了太陽能電板和蓄電池,給測風(fēng)系統(tǒng)供電[2].

圖1 橋址風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng)布置

1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

各風(fēng)速儀的信號通過信號線連接到控制箱內(nèi)存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)單元將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ),采用專用IP地址并通過GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)上,監(jiān)測系統(tǒng)觀測界面如圖2所示,傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)按每小時(shí)一個(gè)文件保存,以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制采樣高[3].

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測界面

2 風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)處理及其分析

2.1 風(fēng)速觀測成果及分析

本文參考文獻(xiàn)[4]對2009年1月至2009年12月數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析.實(shí)測得到的橋位處的各月瞬時(shí)最大風(fēng)速、10 min平均最大風(fēng)速如圖3、圖4所示.極大風(fēng)速分別為為20.3 m/s、20.0 m/s、21.2 m/s、14.1 m/s;1～4號風(fēng)速儀10 min平均最大風(fēng)速分別為為 9.013 m/s、8.918 m/s、9.514 m/s、6.283 m/s.極大風(fēng)速主要出現(xiàn)在8月,10 min最大平均風(fēng)速主要出現(xiàn)在10月份.

2.2 風(fēng)向觀測成果及其分析

風(fēng)玫瑰圖也叫風(fēng)向頻率玫瑰圖,它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計(jì)的各方風(fēng)向和風(fēng)速的百分?jǐn)?shù)值,并按一定比例繪制.下面以4號風(fēng)速儀的計(jì)算結(jié)果為例,繪制圖5所示的2009年單測站風(fēng)向玫瑰圖.

很明顯風(fēng)向集中的方位在N至NNE之間,其次在SSW至SW之間.全年NNE方向的風(fēng)向頻率達(dá)到了16.6%,SSW方向的達(dá)到了12.8%.從原始風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)看,在每個(gè)月最大風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)向東北、西南兩個(gè)方位都有出現(xiàn),最大風(fēng)速風(fēng)向主要集中于風(fēng)向頻率高的NNE,SSW方位.這個(gè)方向大致與峽谷走向一致,即與橋軸線垂直方向一致.由此可見矮寨大橋橋址特殊的地形對風(fēng)向影響很大,峽谷走向基本可以確定風(fēng)向頻率最大的方向.

2.3 地面粗糙度估算

地面粗糙系數(shù)與各個(gè)風(fēng)速儀處離地面高度有關(guān),根據(jù)索兩端地錨處的標(biāo)高及觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主索垂度約100 m,即可確定各風(fēng)速儀距峽谷底距離.各風(fēng)速儀豎向高度和10 min平均最大風(fēng)速見表1.

表1 各測站豎向高度及10 min平均最大風(fēng)速

地面粗糙系數(shù)的求解根據(jù)各個(gè)風(fēng)速儀的10 min平均風(fēng)速來確定,根據(jù)2008年度觀測系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù),選擇了四個(gè)風(fēng)速儀平均風(fēng)速均大于0.5 m/s、0.8 m/s、1 m/s三種情況數(shù)據(jù)分別擬合 α值.風(fēng)速沿豎直高度方向分布計(jì)算公式[5]:

式中:Z2為地面以上高度Z2處的風(fēng)速;

Z1為地面以上高度處的風(fēng)速;

α為地表粗糙度系數(shù).

由(1)式得α的反算式:

圖5 風(fēng)向頻率玫瑰圖

矮寨懸索橋橋址風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析

α值三種擬合結(jié)果分別為0.2208、0.1894、0.1855,擬合圖如圖6所示.由擬合結(jié)果初步可知,矮寨大橋橋址處地面粗糙度大概在0.18～0.22之間.

圖6 地面粗糙系數(shù)擬合圖

根據(jù)規(guī)范[6],吉首地區(qū)地面粗糙度類別為B類場地,值取值為0.16,明顯偏小于根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得出的范圍.由此可見,矮寨大橋橋址為非標(biāo)準(zhǔn)地貌,對于山區(qū)峽谷這類場地,風(fēng)特征復(fù)雜,不再符合一般規(guī)范.

3 結(jié) 語

(1)提出了一種利用高空風(fēng)環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場風(fēng)觀測的方法,其特點(diǎn)是不受現(xiàn)場地形限制,能測量橋面水平的風(fēng)特征,采用無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,對類似風(fēng)環(huán)境觀測具有一定的參考價(jià)值.

(2)通過對實(shí)測數(shù)分析,基本掌握了橋址風(fēng)環(huán)境情況,橋面處瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)21.2 m/s,10 min平均分速最大為9.5 m/s,該風(fēng)速遠(yuǎn)低于橋梁設(shè)計(jì)檢驗(yàn)風(fēng)速51.5 m/s;橋址處風(fēng)向主要橋軸線垂直方向一致.這對大橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)和施工具有很大指導(dǎo)意義.

(3)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合顯示,橋址處地面粗糙系數(shù)范圍α=0.18～0.22,介于B類和C類場地之間,不屬于規(guī)范所指定的任何地表類別.

[1]張 玥,胡兆同,劉新建.西部山區(qū)地形的斜拉橋風(fēng)場特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(12):154-159.

[2]孫洪鑫,王修勇,陳政清,等.山區(qū)峽谷高空風(fēng)環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng)[C].第十四屆全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2009.

[3]陳政清,李春光,張志田,廖建宏.山區(qū)峽谷地帶大跨度橋梁風(fēng)場特性試驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2008,22(3):54-60.

[4]宋麗莉,吳戰(zhàn)平,秦 鵬,等.復(fù)雜山地近地層大風(fēng)特性分析[C].氣象學(xué)報(bào),2009,67(3):452-460.

[5]陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG/TD60-01-2004.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.