簡易峽谷地形模型風(fēng)場特性試驗(yàn)研究★

李春光 劉 熠

(1.長沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制技術(shù)與裝備湖南省工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410114；

·橋梁·隧道·

簡易峽谷地形模型風(fēng)場特性試驗(yàn)研究★

李春光1劉 熠2

(1.長沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制技術(shù)與裝備湖南省工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410114；

2.葛州壩集團(tuán)第五工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

為了獲得橋址處于峽谷地形時(shí)的風(fēng)場特性分布規(guī)律，采用圓錐形山體制作了具有不同谷坡斜率的系列簡易峽谷模型，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)測試了其風(fēng)場特性，最終得出了一些有參考價(jià)值的結(jié)論。

峽谷，風(fēng)場特性，簡易模型，風(fēng)洞試驗(yàn)

西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的不斷深化對我國西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了迫切的需求。西部山區(qū)其固有的自然地形條件多崇山峻嶺，深溝寬谷，這種條件決定了大量的跨越深溝寬谷的大跨度橋梁需要修建。懸索橋、斜拉橋等柔性橋梁因其卓越的跨越能力受到了廣泛的青睞。目前已有多座千米級跨谷大跨度橋梁已建或正在修建。例如主跨1 176 m的湘西矮寨特大懸索橋，主跨1 088 m的壩凌河特大懸索橋以及主跨900 m的四渡河特大懸索橋等[1，2]。然而自1940年美國舊塔科馬橋風(fēng)毀之后，橋梁風(fēng)致穩(wěn)定已成為大跨度柔性橋梁設(shè)計(jì)和建造的控制因素。

為準(zhǔn)確評價(jià)橋梁的抗風(fēng)性能，首先需要解決的就是橋址處的風(fēng)荷載輸入，也即是橋址風(fēng)場特性。我國《公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范》[3]所規(guī)定的四類基本地形適用于各向同性的開闊地貌，當(dāng)橋址處于山區(qū)峽谷這種特殊地形時(shí)，規(guī)范提供的風(fēng)場特性公式將不再適用。規(guī)范[5]建議當(dāng)橋址處于峽谷或山口等特殊地形時(shí)可采用風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬或者現(xiàn)場實(shí)測等方法確定其風(fēng)場特性參數(shù)。現(xiàn)場實(shí)測方法無疑是最為準(zhǔn)確的手段，通過長期觀測可以獲得橋址處的真實(shí)風(fēng)場數(shù)據(jù)[4，5]，然而該方法本身也具有著較多的不足，例如，一方面需要長期實(shí)測積累才能獲得可用于工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)，同時(shí)經(jīng)費(fèi)花費(fèi)高，對設(shè)備的性能有較高的要求。另一方面，實(shí)測受地形等條件限制，通常只能獲得有限位置的風(fēng)速數(shù)據(jù)，當(dāng)橋址處于峽谷復(fù)雜地形時(shí)，很難從個(gè)別位置數(shù)據(jù)推算全橋范圍的風(fēng)場特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)能力的快速提高，CFD數(shù)值模擬技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于復(fù)雜地形的風(fēng)場特性模擬，并取得了一定的成果[6-8]。受計(jì)算能力以及湍流模型的限制，數(shù)值模擬的計(jì)算精度目前仍有待提高。相比于上述兩種方法，地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)有著時(shí)間短花費(fèi)少，試驗(yàn)條件可控，結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是目前被廣泛認(rèn)可的一種獲得風(fēng)場特性參數(shù)的手段[9-11]。

當(dāng)橋址處于山區(qū)峽谷地形時(shí)，由于峽谷地形不盡相同，通過真實(shí)地形模型雖然能夠獲得特定橋址峽谷的風(fēng)場特性，但是對其他不同峽谷的風(fēng)場特性研究參考意義相對較小。若將峽谷地形簡化，將局部部位的差別剔除，取大多數(shù)峽谷的共同特征來模擬，再通過試驗(yàn)進(jìn)行研究將對該類地形的風(fēng)場特性具有重要意義。本文將峽谷地形簡化，制作了系列簡易峽谷地形模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析了峽谷坡度、寬度等參數(shù)對谷內(nèi)風(fēng)場的影響，獲得了山區(qū)峽谷風(fēng)場的一些基本規(guī)律，可供類似地形的工程實(shí)踐參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)布置

將實(shí)際峽谷進(jìn)行簡化，排除峽谷地形復(fù)雜多變的局部構(gòu)造的干擾，采用圓錐形山體來模擬系列的簡易峽谷。圓錐山體采用厚度為3 mm的復(fù)合板模擬高程等高線疊合而成，以此來考慮山體粗糙度對風(fēng)場的影響。通過固定山體底部尺寸，變化山體高度的思路來模擬具有不同邊坡斜率的峽谷地形。圓錐底面半徑固定為14.3 cm，制作了四種不同高度5.72 cm,7.15 cm,8.8 cm，10.8 cm的圓錐以模擬峽谷不同的邊坡坡度。試驗(yàn)所用風(fēng)洞截面尺寸為0.5 m(寬)×0.5 m(高)，2.1 m(長)。為了盡量減小試驗(yàn)過程中風(fēng)洞工作截面的氣流阻塞率，將圓錐體一劈為二，然后用兩半錐體組成峽谷地形模型。為了考慮峽谷兩側(cè)山體對來流的分離作用，將半圓錐體剖分面與風(fēng)洞軸線呈45°角布置。

考慮山區(qū)地面粗糙度實(shí)際情況，試驗(yàn)來流選擇規(guī)范中的C類風(fēng)場進(jìn)行。采用尖劈加粗糙元結(jié)合橫擋板的被動(dòng)模擬方法進(jìn)行試驗(yàn)風(fēng)場的調(diào)試。試驗(yàn)布置如圖1所示。試驗(yàn)過程中采用Cobra Probe三維風(fēng)速探針進(jìn)行風(fēng)速及攻角測試，采樣頻率設(shè)定在1 000 Hz，采樣時(shí)間為30 s。經(jīng)測試在模型試驗(yàn)截面處，來流邊界層達(dá)20 cm厚，滿足簡易峽谷模型的試驗(yàn)高度。試驗(yàn)來流風(fēng)場剖面模擬結(jié)果如圖2及圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)剖面

通過對上述四組不同邊坡斜率峽谷模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了簡易模型峽谷范圍內(nèi)不同位置的平均風(fēng)特性，如圖4所示為相對于谷頂高度的平均風(fēng)剖面豎向分布圖。與直觀預(yù)測結(jié)果趨勢相同，與來流風(fēng)剖面相對比，峽谷內(nèi)平均風(fēng)剖面由于峽谷的壓縮加速效應(yīng)，剖面指數(shù)有減小的趨勢。在谷中位置，隨邊坡斜率的增大，平均風(fēng)剖面指數(shù)逐漸減小，對各工況剖面指數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合可以得到剖面指數(shù)a分別為0.14，0.132，0.115和0.102。雖然谷內(nèi)四分點(diǎn)位置平均風(fēng)剖面受峽谷加速效應(yīng)影響也有減小，四種不同邊坡斜率下其剖面指數(shù)基本相同，約為0.11。另外，由于橋梁跨越峽谷時(shí)主梁一般處于谷頂高度附近，因此谷頂高度處平均風(fēng)速的分布對主梁風(fēng)荷載的計(jì)算有重要影響。將不同試驗(yàn)工況下谷頂高度處平均風(fēng)速沿峽谷跨度方向的分布曲線繪出，如圖5所示，從圖中可以很明顯看出各谷坡斜率谷頂高度處平均風(fēng)速均表現(xiàn)出自跨中向兩側(cè)山體減弱的分布規(guī)律，并且谷坡斜率越陡減弱趨勢愈強(qiáng)。究其原因，峽谷內(nèi)靠近山體處風(fēng)速受山體的摩擦阻擋作用明顯，從而低于谷中風(fēng)速。由此可知峽谷內(nèi)的風(fēng)場具有明顯三維特性，峽谷橋址橋梁風(fēng)振分析時(shí)需考慮平均風(fēng)沿橋跨的縱向分布不均勻特性。

2.2 風(fēng)攻角

大跨度橋梁抗風(fēng)分析中，與來流平均風(fēng)速相關(guān)的參數(shù)除去風(fēng)速之外，來流風(fēng)攻角同樣具有重要作用。我國規(guī)范中規(guī)定在進(jìn)行大跨度橋梁風(fēng)振分析時(shí)通常要考慮±3°的來流攻角工況。因此，試驗(yàn)過程中特別測試了谷頂高度處不同位置的來流攻角分布情況，如圖6所示。從圖中可以看出，不同谷坡斜率模型中，受峽谷對風(fēng)場的擠壓作用，跨中位置風(fēng)攻角受谷坡斜率影響較小，試驗(yàn)過程中基本保持+2.5°左右。然而從谷中向兩側(cè)山體方向，風(fēng)攻角逐漸增大，并且邊坡斜率越陡風(fēng)攻角增加越快，靠近兩側(cè)山體附近，風(fēng)攻角已經(jīng)超過4°，超出了規(guī)范中的要求。由此可見，當(dāng)橋梁跨越山區(qū)峽谷時(shí)抗風(fēng)分析的攻角取值已不能按常規(guī)要求進(jìn)行，需要考慮適當(dāng)?shù)脑龃蠊ソ欠秶员苊獬霈F(xiàn)不利影響。

2.3 風(fēng)場加速效應(yīng)

復(fù)雜地形對來流平均風(fēng)速的影響，對橋梁抗風(fēng)分析具有重要意義。我國規(guī)范中建議處于峽谷或山口等引起加速效應(yīng)的特殊地形時(shí)，來流風(fēng)速可考慮增大10%～20%，英國建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范也建議峽谷地形平均風(fēng)速應(yīng)當(dāng)增大10%。定義風(fēng)場加速系數(shù)為峽谷內(nèi)實(shí)測風(fēng)速與相同高度處參考來流風(fēng)速的比值。圖7所示為谷中與四分點(diǎn)處平均風(fēng)加速效應(yīng)沿相對于峽谷谷頂高度豎直剖面的分布隨邊坡斜率的變化情況。由圖可知，峽谷內(nèi)不同位置的加速效應(yīng)均隨高度的增加呈衰減趨勢，并且谷中加速系數(shù)豎向的衰減態(tài)勢明顯強(qiáng)于四分點(diǎn)位置，同時(shí)邊坡越陡峭即斜率越大則加速效應(yīng)愈顯著。Cao與Tamura 在研究山體表面粗糙度影響時(shí)指出[12]，山體表面的無滑移邊界條件決定了在近山體處存在一個(gè)平均風(fēng)加速效應(yīng)最強(qiáng)高度。由于試驗(yàn)過程中未能測試緊靠山體的高度，這一現(xiàn)象未能展現(xiàn)。由于橋面位置通常處在谷頂處，因此此處的加速效應(yīng)對于主梁的風(fēng)荷載取值具有重要影響。從圖中可以看出，谷頂海拔高度四分點(diǎn)處的加速效應(yīng)普遍高于0.2，而谷中位置小于0.1，這進(jìn)一步反映了峽谷內(nèi)風(fēng)場的空間三維性。

3 結(jié)語

通過系列簡易峽谷模型風(fēng)洞試驗(yàn)，峽谷內(nèi)風(fēng)場特性具有以下基本規(guī)律：1)峽谷內(nèi)平均剖面不能用單一指數(shù)描述，平均風(fēng)速沿谷寬方向分布具有明顯的三維特性。2)峽谷內(nèi)風(fēng)場加速效應(yīng)隨高度增高顯著減小，跨中谷頂處加速系數(shù)小于0.1，而靠近山體處四分點(diǎn)加速系數(shù)超過0.2。3)峽谷內(nèi)風(fēng)攻角受地形影響，谷中低兩邊高，并且超出了規(guī)范要求的常規(guī)±3°范圍。

[1] 龐加斌.沿海和山區(qū)強(qiáng)風(fēng)特性的觀測分析與風(fēng)洞模擬[D].

上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006:87-108.

[2] 胡峰強(qiáng).山區(qū)風(fēng)特性參數(shù)及剛桁架懸索橋顫振穩(wěn)定性研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006:13-67.

[3] 中華人民共和國交通部.公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4] 金 磊,王修勇,廖建宏，等.矮寨懸索橋橋址風(fēng)環(huán)境觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,21(3):65-67.

[5] 鄧 揚(yáng)，李愛群，丁幼亮,等.潤揚(yáng)大橋懸索橋橋址風(fēng)環(huán)境的長期監(jiān)測與分析[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(6)：632-638.

[6] Kim H G,Patel V C,Lee C M.Numerical simulation of wind flow over hilly terrain[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2000(87):45-60.

[7] 李永樂，蔡憲棠，唐 康，等.深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)場空間分布特性的數(shù)值模擬研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(11)：611-614.

[8] 李永樂,胡 朋，蔡憲棠，等.緊鄰高陡山體橋址區(qū)風(fēng)特性數(shù)值模擬研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2011,29(6):770-776.

[9] 陳政清，李春光，張志田，等.山區(qū)峽谷地帶大跨度橋集風(fēng)場特性試驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2008，22(3)：54-59.

[10] Yamaguchi A,Ishihara T,Fujino Y.Experimental study of the wind flow in a coastal region of Japan[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003(91):247-264.

[11] akahash T.Wind tunnel tests of effects of atmospheric stability on turbulent flow over a three-dimensional hill[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2005(93):155-169.

[12] Cao S,Tamura T.Experimental study on roughness effects on turbulent boundary layer flow over a two dimensional steep hill[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2006(94):1-19.

Research on wind field feature tests of simple canyon terrain model★

LI Chun-guang1LIU Yi2

(1.ChangshaUniversityofTechnologyBridgeEngineeringSafetyControllingTechniqueandQuipment,HunanEngineeringTechnicalResearchCenter,Changsha410114,China; 2.TheFifthCompany,GezhoubaGroup,Yichang443000,China)

In order to obtain the wind field feature distribution law of the bridge address, the paper adopts the conical mountain to make simple canyon models with different slopes, tests its wind field features by the wind cave tests, and achieves valuable conclusion.

canyon, wind field feature, simple model, wind cave test

1009-6825(2014)28-0163-03

2014-07-28★:西部交通重大專項(xiàng)(項(xiàng)目編號：2011318824140)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51278069，51208067);湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號：12B009)

李春光(1980- )，男，博士，講師； 劉 熠(1988- )，男，碩士

U448

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