山區特大跨徑橋梁橋址處風特性實測研究

劉文韜, 李 磊, 衛軼科, 黃 進, 韓坤林

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司, 重慶 400067)

我國西部地區以山地、高原、盆地為主,地形復雜且起伏大,該區域修建橋梁多需跨越山川溝谷,且跨度極大,懸索橋和斜拉橋成為建橋方案的首選。而索類橋梁的結構趨于柔性,其風敏感系數較大[1],西部地區同時受到季風和山地氣候的影響,復雜多樣的山區地形也致使橋位處風場特性的復雜性[2]。目前,國內外對山區橋址處風場特性的認識多限于某特定橋型,現行規范[3]將地表對風速減弱作用的影響類型界定為4類,未明確界定山地風場特征。因此,開展山區地形大跨徑橋址區風場特性研究具有重要意義。

現場實測是把握風場特性最直接的方法之一[4]。目前眾多學者對山區橋址處的實測風特性研究已取得一定成果。YU等[5]利用位于深切峽谷中在建橋梁實測風速風向數據,通過建立平穩模型與非平穩模型,分析了湍流強度、功率譜密度等風特性參數,結果表明實測功率譜與Von Karman經驗譜吻合良好;張明金等[6]基于位于山區峽谷地形中的大渡河大橋橋址處實測風數據,研究了橋位處的平均風速、陣風因子等風特性,結果顯示橋位處的陣風因子高于規范中對于常規平原的推薦值;龐加斌等[7]結合位于鄂西山區的四渡河峽谷大橋實測脈動風速時程數據,分析了該山區橋位的平均風速風向、湍流強度、陣風因子和功率譜等湍流特性,研究表明湍流強度隨平均風速的增大而減小,山區峽谷風的湍流特性與規范推薦值差異較大;蔡向陽等[8]針對赤石大橋橋位的風特性進行了現場實測,對大風時段各測點的平均風速風向、湍流強度和陣風因子等風特性參數進行了分析,結果表明實測階段橋位處風速存在突變現象,湍流強度、陣風因子的變化趨勢基本一致。

目前,針對山區橋址處風場特性的研究仍不夠充分,未達到指導該區域橋梁抗風設計的定量要求。為此,本文基于山區某跨江特大跨徑懸索橋的結構健康監測系統,獲取了該橋跨中16 h的風速風向數據,對其進行平均風特性及脈動風特性分析,并與規范值進行比較,以期為同類橋梁結構抗風設計提供依據。

1 工程概況

某特大跨徑跨江橋梁位于我國西南山區,橋位地處河谷地貌,整體呈“U”字形,周邊地形以低山、丘陵為主。橋址處兩岸分別呈階梯狀和直線形,局部有陡崖。該橋為單跨雙塔懸索橋,橋跨布置為(247+1 020+280)m,主梁采用流線型扁平鋼箱梁。為實時把握橋梁結構的服役狀態,該橋配備了結構健康監測系統,其主梁風速風向監測點位于跨中處。

為研究該山區橋址處風速的脈動特性,本文選取橋梁結構健康監測系統中機械風速風向儀所測近半年來數值最大的16 h風速時程值進行分析,風速風向測點位于主梁主跨跨中橋面處,其高程為240 m,測點布置如圖1所示。在橋位風場實測過程中,規定以正北方向為0°,逆時針轉動為正方向?？v風向為南北方向,以北為正,橫風向為東西方向,以西為正。

單位:m

2 橋址區風場平穩性檢驗

平穩性檢驗是橋址區風場特性分析的基礎操作,其目的是檢查風速時程數據是否具有穩定的分布特征,并根據檢驗結果選用合適的風特性分析模型。其中輪次分析法是檢驗數據平穩特性的常用方法[9]。步驟如下:

2) 將連續出現的“+”和“-”記為一個輪次,將出現“+”的次數記為N1,出現“-”的次數記為N2,N=N1+N2,輪次總數為r;

3) 當數據量較大時,總輪次數r近似服從正態分布N(u,σ2),其中:

(1)

(2)

10 min時距縱向、橫向脈動風速平穩性指數Z隨時間的變化如圖2所示,縱、橫向脈動風速平穩性指數Z的統計參數如表1所示。由圖2和表1可知,10 min時距縱向、橫向脈動風速平穩性指數Z隨時間未表現出明顯規律,整體隨機性較強,其中縱向、橫向脈動風速非平穩數據占比分別為13%、30%,縱向、橫向脈動風速平穩性指數Z最大值分別為4.30、5.49,其均值分別為0.96、1.55,說明橫向脈動風速的非平穩性高于縱向脈動風速。綜上,本文采集到大部分時段風速處于平穩狀態,故后文對風速時程的脈動特性進行分析未采用非平穩數據處理方法。

(a) 縱向

(b) 橫向

表1 平穩性指數統計參數

3 實測風特性分析

實測風特性分析為風致效應的估算提供了較精準的計算依據[10],其關鍵參數包括平均風速風向、湍流強度、陣風因子和功率譜密度等。

3.1 平均風速、平均風向

實測數據為風速和風向2個時程樣本,風速時程u(t)具有縱向、橫向分量,分別為ux(t)、uy(t),計算表達式如下:

ux(t)=u(t)cosφ(t)

(3)

uy(t)=u(t)sinφ(t)

(4)

式中:φ(t)為風向時程。

平均風速U和平均風向φ計算式如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

本文采用10 min基本時距得到平均風速U和平均風向角Φ,如圖3所示。由圖3可知,10 min時距平均風速在0.03 m/s～8.32 m/s范圍內存在跳變波動,平均風向角保持平穩波動狀態。

(a) 平均風速

(b) 平均風向

3.2 湍流強度

湍流強度是判定湍流強弱的指標,表示自然風中的脈動百分比,其表達式為:

(9)

式中:σi為脈動風速u(t)、v(t)的均方根;u、v為縱向、橫向脈動風速分量。

湍流強度隨平均風速變化及擬合情況如圖4所示。由圖4可知,各向湍流強度在低風速區段隨平均風速的增大而減小,在高風速區段隨平均風速的增大而趨穩,總體表現為隨平均風速的增大而減小?？v向、橫向湍流強度的各統計參數如表2所示。由表2可見,縱向湍流強度均值大于橫向均值,兩者比值為0.85,低于規范推薦值0.88。

3.3 陣風因子

陣風因子為陣風時距內的平均風速最大值與基本時距內平均風速之比,是設計最大陣風風速的依據之一。本文陣風時距為3 s,各向陣風因子表達公式如下:

(10)

(11)

各向陣風因子隨平均風速的變化及擬合情況如圖5所示。由圖5可知,各向陣風因子在低風速區段隨平均風速的增大而減小,在高風速區段隨平均風速的增大而趨穩。各向陣風因子統計參數如表3所示。由表3可知,實測縱向陣風因子平均值為1.25,高于規范推薦值1.18,實測橫向陣風因子平均值為0.19,實測縱向與橫向陣風因子比值為1∶0.15。

(a) 縱向

(b) 橫向

表2 各向湍流強度統計參數

(a) 縱向

(b) 橫向

表3 各向陣風因子統計參數

3.4 湍流強度與陣風因子的關系

從圖4、圖5可見,湍流強度與陣風因子具有較高的相似度,近年來,眾多學者對此進行了研究[11-13],并推導得到兩者的關系式:

(12)

式中:T為平均風時距;tg為陣風時距;a、b為無量綱參數。Ishizaki[13]基于實測數據和理論推導得到了式(12)的各參數值,其中a取0.5,b取1.0。

縱向陣風因子隨縱向湍流強度變化情況如圖6所示。由圖6可知,縱向陣風因子與湍流強度具有較強的相關性?；趯崪y結果,本文以10 min平均風時距、3 s陣風時距,對縱向湍流強度與同時段的陣風因子進行了回歸計算,實測擬合曲線較Ishizaki推薦值偏小。擬合結果如表4所示。

圖6 縱向湍流強度隨實測縱向陣風因子變化

表4 實測湍流強度與陣風因子擬合

3.5 功率譜

脈動風功率譜可描述脈動能量在不同尺度渦旋中的分布狀況,是判斷脈動強度的重要手段[14]。Von Karman譜[15]是由Von Karman基于湍流各向同性理論建立的,表達式如下。

(13)

(14)

本文采用莫寧坐標對縱向、橫向實測功率譜進行無量綱處理,并與Von Karman經驗譜進行對比分析,結果如圖7所示。由圖7可知,縱向、橫向實測功率譜在低頻區逐漸增大,在高頻區逐漸減小?？v、橫向實測譜在低頻區均低于Von Karman經驗譜,在高頻區與經驗譜較為吻合。整體上看,Von Karman經驗譜能夠描述實測數據的脈動特性。

(b) 橫向

4 結論

通過對山區特大跨徑橋梁風場的平均風速、平均風向、湍流強度、陣風因子、功率譜等實測風特性進行分析,并與規范推薦值比較,得到以下結論:

1) 各向脈動風速平穩性指數Z隨時間未表現出明顯規律,橫向脈動風速的非平穩性高于縱向脈動風速。大部分風速數據為平穩樣本;實測風速時程平均風速具有跳變波動,但平均風向保持平穩。

2) 各向湍流強度在低風速區段隨平均風速的增大而減小,在高風速區段隨平均風速的增大而趨穩?？v向湍流強度均值大于橫向均值,兩者比值為0.85,低于規范推薦值0.88。

3) 各向湍流強度在低風速區段隨平均風速的增大而減小,在高風速區段隨平均風速的增大而趨穩,實測縱向陣風因子平均值為1.25,高于規范推薦值1.18。

4) 縱向陣風因子與縱向湍流強度具有較強的相關性,實測擬合曲線較Ishizaki推薦值偏小。

5) 縱向、橫向功率譜值在低頻區逐漸增大,在高頻區逐漸減小。Von Karman經驗譜能夠描述實測數據的脈動特性。