淺析山區(qū)大跨橋梁風(fēng)場特性

仇勇 秦創(chuàng)創(chuàng) 于江銘

摘 要：風(fēng)洞實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測是目前研究山區(qū)風(fēng)特性的主要方法，本文首先這幾種方法進行了詳細(xì)闡述；然后借用學(xué)者們的研究成果，從平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)特性兩種角度，分析山區(qū)風(fēng)特性與平原地段的差異，結(jié)果表明：與平原地段相比，復(fù)雜地段的山區(qū)風(fēng)場特性更加具有不穩(wěn)定性，平均風(fēng)剖面變化多端；湍流度與陣風(fēng)因子明顯較高；在豎向脈動風(fēng)作用下，脈動風(fēng)功率譜函數(shù)在低頻區(qū)實測數(shù)據(jù)較經(jīng)驗公式計算結(jié)果低，而在高頻區(qū)恰恰相反。最好，對目前的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并提出一些針對性的建議。

關(guān)鍵詞：山區(qū)風(fēng)特性、風(fēng)洞實驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測、平均風(fēng)特性、脈動風(fēng)特性

1 前言

目前，隨著我國經(jīng)濟與建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性的追求也不斷的提高。越來越多的跨峽谷大橋修建在西部多山脈區(qū)域，而西部地區(qū)山區(qū)風(fēng)場千變?nèi)f化、復(fù)雜多樣，為保證大跨峽谷大橋在施工和運營過程中的安全性和舒適性，研究大跨山區(qū)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性必不可少。

對于大跨橋梁而言，具有結(jié)構(gòu)剛度小和自振頻率低等特點，在對大跨橋梁進行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，風(fēng)荷載往往為其控制荷載。目前，國內(nèi)關(guān)于風(fēng)荷載的規(guī)定僅僅適用于地勢地貌較為平坦的各向同性風(fēng)場條件，而對于地形地貌較為復(fù)雜的地區(qū)，風(fēng)荷載則需要通過實驗來確定?，F(xiàn)階段研究的山區(qū)風(fēng)場特性主要方法有：現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、風(fēng)洞實驗等。而其中風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬是對結(jié)構(gòu)進行模擬實驗，其最終成果還是需要通過現(xiàn)場實測來確定，對于風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)影響的最有效的。

2大跨結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究方法

2.1風(fēng)洞實驗

風(fēng)洞實驗[1]利用運動相對性和流動相似性來研究風(fēng)洞中模擬物體模型的氣體流動特性，能夠在相對復(fù)雜的環(huán)境下確定出空氣流動的特征。在橋梁工程中，風(fēng)洞實驗?zāi)軌蛑苯?、有效的研究大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分布特性，其實驗結(jié)果也得到了工程界的廣泛認(rèn)可。對于橋梁風(fēng)洞實驗而言，主要有三種方式：靜力三分力實驗、彈簧懸掛剛體節(jié)段模型實驗、全橋氣動彈性模型實驗。風(fēng)洞實驗中的剛性測壓實驗最要用于測量結(jié)構(gòu)上作用的風(fēng)荷載，并且能夠分別測量出平均風(fēng)荷載與脈動風(fēng)荷載；而結(jié)構(gòu)邊界層的動力響應(yīng)是通過考慮結(jié)構(gòu)和來流之間的相互耦合作用的氣彈性模型實驗來確定。

2.2 數(shù)值模擬

隨著計算軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)風(fēng)場特性的的研究中顯得尤其的重要，與較為傳統(tǒng)的風(fēng)洞實驗相比，數(shù)值模擬技術(shù)[2]的優(yōu)點主要在于：1、費用較低，所花費時間短。2、可以改變不同的實驗參數(shù)對不同特征下的山區(qū)地形地貌進行模擬，能夠比較直觀的探討出不同參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)的整體影響；3數(shù)值模擬技術(shù)可利用可視化工具，提供風(fēng)洞實驗無法提供的一些繞流流場信息。但數(shù)值模擬并不能完全準(zhǔn)確的模擬出山區(qū)大跨境橋梁風(fēng)特性，其實驗結(jié)果必須通過現(xiàn)場實測結(jié)果來檢驗。

2.3 現(xiàn)場實測

現(xiàn)場實測能夠直接獲得地區(qū)風(fēng)場特性，是我國現(xiàn)階段對風(fēng)特性研究最有效的方法之一?，F(xiàn)場實測[3]普遍是通過風(fēng)速儀、加速度計等儀器測量結(jié)構(gòu)風(fēng)向、平均風(fēng)速、脈動風(fēng)特性等，以便對復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下風(fēng)特性的共同特征進行研究。通過現(xiàn)場實測，可以得到準(zhǔn)確的、具有一定可靠度的實驗數(shù)據(jù)，并將結(jié)果與風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬實驗進行對比，發(fā)現(xiàn)出數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗的不足之處，為制定出復(fù)雜多變山區(qū)風(fēng)荷載設(shè)計規(guī)范提供依據(jù)。

3 峽谷風(fēng)特性統(tǒng)計分析

由于風(fēng)在峽谷和山體地段會導(dǎo)致大范圍的繞流、分離和再附著，使得復(fù)雜地形地貌的風(fēng)場特性具有不確定性。大氣層內(nèi)空氣流動特性對橋梁結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生重大的影響，對結(jié)構(gòu)物所在地的近地風(fēng)特性的研究，能夠最大程度減少大氣層空氣流動對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。為了便于研究近地風(fēng)特性，風(fēng)場特性可以劃分為平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)特性。

3.1平均風(fēng)特性

平均風(fēng)特性主要是用于反映地形地貌有關(guān)的空間分布特性，相關(guān)參數(shù)包括平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速剖面、風(fēng)攻角等。Jakson等[4]通過線性模型對平面對稱平緩小山風(fēng)剖面模型進行了預(yù)測，得到了山頂風(fēng)速加速效應(yīng)最大的結(jié)論。ROSS等利用[5]數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗研究了從一階到二階的閉合模型，結(jié)果表明：二階閉合預(yù)測模型得到的結(jié)果雖然平均風(fēng)速精度較高，但并不能很好的預(yù)測分離流區(qū)域的湍流特性。朱樂東等[6]對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風(fēng)剖面中研究發(fā)現(xiàn)，在相對復(fù)雜的峽谷地段，平均風(fēng)剖面會受到很大的影響。平均風(fēng)剖面形態(tài)規(guī)則千變?nèi)f化，呈現(xiàn)出多樣性。此外風(fēng)向角在低空方面受地形影響更加嚴(yán)重，變化幅度也較高空范圍更大，而且隨著高度的降低，風(fēng)迎角的絕對值大小以及散布的區(qū)域呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

3.2脈動風(fēng)特性

3.2.1湍流強度和陣風(fēng)因子

風(fēng)的脈動強度通常使用湍流強度和陣風(fēng)因子來表示。湍流強度脈動風(fēng)速指在平均時距內(nèi)的方根差（標(biāo)準(zhǔn)差）與水平方向上平均風(fēng)速的比值。而陣風(fēng)因子定義為在持續(xù)內(nèi)陣風(fēng)最大平均風(fēng)速與平均風(fēng)速的比值，用來體現(xiàn)一定時間內(nèi)脈動風(fēng)的變化規(guī)律。湍流強度與陣風(fēng)因子都是體現(xiàn)風(fēng)場的脈動強度的兩個參數(shù)，但是側(cè)重點不同，兩個參數(shù)具有線性比例關(guān)系，隨著湍流度的增加，陣風(fēng)因子不斷增加。朱樂東等[7]在對自然風(fēng)紊流風(fēng)特性研究中發(fā)現(xiàn)：湍流度在平均風(fēng)速逐漸增加的情況下有減少的趨勢。與平坦地段相比，湍流強度和陣風(fēng)因子在復(fù)雜山區(qū)峽谷地段明顯較高。周廣東等[8]通過對潤揚大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)反饋的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行研究，結(jié)果表明：大氣穩(wěn)定性隨著平均風(fēng)速的增大而變高，且被地面物體所干擾的概率就會越小，而湍流度會隨著大氣穩(wěn)定性的變高而較低，因此，當(dāng)平均風(fēng)速逐漸增大時，其值會逐漸減小。

3.2.2湍流積分尺度

湍流積分尺度是用來反映在脈動風(fēng)中產(chǎn)生的湍流旋渦平均尺寸，是決定結(jié)構(gòu)受風(fēng)場特性影響程度的重要物理因子。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究表明湍流積分尺度與湍流度存在一定線性相關(guān)性，其值在橫向和縱向都隨著該方向的湍流度的增大而大幅度的下降。周廣東等[8]研究發(fā)現(xiàn)雖然湍流積分尺度與平均風(fēng)速的相關(guān)性較弱，但當(dāng)平均風(fēng)速減小時，積分尺度也會隨之減小。風(fēng)場中的脈動特性主要是源于風(fēng)場大漩渦破裂而成的一系列小尺寸旋渦的影響；當(dāng)這些小漩渦達(dá)到一定程度大小時，脈動風(fēng)特性與平均風(fēng)特性之間幾乎沒有多大差別。何旭輝等[9]在對橋位良態(tài)風(fēng)的長期觀測中發(fā)現(xiàn)，規(guī)范推薦值中的湍流積分尺度和湍流強度均比實測值小，且在高度增加的情況下，湍流強度和陣風(fēng)因子并不會減少。地形地貌的起伏不平對脈動風(fēng)特性影響十分顯著，特別在復(fù)雜地段，脈動風(fēng)特性變化更加無規(guī)律可言，因此，在對山區(qū)峽谷地段進行橋梁設(shè)計中，考慮復(fù)雜地形對設(shè)計風(fēng)荷載的影響必不可少。

3.2.3脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)

脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)是用來反映湍流中不同尺寸旋渦的動能對湍流脈動總動能的影響大小。在我國現(xiàn)有橋梁規(guī)范中，縱向功率譜函數(shù)主要使用Kaimal譜計算；在橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南中建議在順向風(fēng)中采用Simiu譜，而豎向脈動風(fēng)推薦采用Panofsky譜。但就山區(qū)風(fēng)特性而言，這些風(fēng)譜并不完全適用。朱樂東等[6]在壩陵河峽谷脈動風(fēng)特性實測研究中發(fā)現(xiàn)在順風(fēng)向脈動風(fēng)條件下，低頻區(qū)實測擬合結(jié)果比經(jīng)驗公式計算結(jié)果低，而在高頻區(qū)則恰恰相反；而在水平和豎向脈動風(fēng)功率譜，實測擬合結(jié)果也明顯高于經(jīng)驗公式計算結(jié)果。辛亞兵等[10]對橋梁沿橋軸向的風(fēng)特性現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明：Simiu譜經(jīng)驗公式在高頻區(qū)計算結(jié)果與沿橋向順風(fēng)段功率譜密度基本相同；在高頻段豎風(fēng)向功能譜密度函數(shù)與Panofsky譜基本不吻合，而在低頻段，實測值也比Panofsky譜低。

4 結(jié)語

對于山區(qū)風(fēng)場特性的研究，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對其進行了研究，但仍然存在一些就局限性和困難，本文認(rèn)為可以從以下幾個方面進行深入的研究。

（1）與平原地貌相比，復(fù)雜地形地貌下的山區(qū)風(fēng)場特性更加復(fù)雜，對于復(fù)雜地形的山區(qū)風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)范并沒有完善。而且對于風(fēng)洞實驗，模型比例較小，面對地域廣闊的山區(qū)地帶，測試的方法和精度并不能達(dá)到設(shè)計的要求。需要采用能夠模擬不同環(huán)境、精度更高的試驗儀器，同時學(xué)者們也要不斷投入精力和時間來改善現(xiàn)有研究方式，從紛繁復(fù)雜的山區(qū)風(fēng)特性中提煉出與平原地貌風(fēng)場特性之間的共性，以便更好的為工程實際服務(wù)。

（2）數(shù)值模擬作為當(dāng)下新興的計算機軟件技術(shù)，其能夠通過改變不同的參數(shù)來模擬不同類型的山區(qū)地貌環(huán)境，與風(fēng)洞實驗相比，能夠大大的節(jié)省實驗成本。但就我國現(xiàn)階段而言，數(shù)值模擬技術(shù)仍處于剛剛起步階段，對于復(fù)雜山區(qū)地貌環(huán)境的研究模型和參數(shù)設(shè)置還不夠成熟，精準(zhǔn)度達(dá)不到工程需求。因此，現(xiàn)階段，研究人員需要將風(fēng)洞實驗和現(xiàn)場觀測的結(jié)果與數(shù)值模擬技術(shù)不斷進行對比，提高計算機軟件的自我學(xué)習(xí)能力，完善其研究模型和精度。

（3）對于現(xiàn)場實測，盡管已經(jīng)有很多專家學(xué)者投入到這方面的研究之中，但對于山區(qū)風(fēng)場特性而言，需要在特殊地段建立大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)場觀測系統(tǒng)，以便獲得長期的、持續(xù)的風(fēng)特性參數(shù)。并將觀測結(jié)果與數(shù)值模擬技術(shù)和風(fēng)洞實驗進行直接對比，改進計算風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ鸵约坝嬎銠C數(shù)值模擬技術(shù)的試驗參數(shù)。除此之外，還需建設(shè)山區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)特性的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，以便實時研究風(fēng)場特性沿高度變化的規(guī)律，對結(jié)構(gòu)的舒適程度進行合理的評定。

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