橋塔上風(fēng)傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響

張明金， 李永樂， 余顯全， 劉德敬， 張 李

(1.西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川 成都 610031;2.云南龍江特大橋建設(shè)指揮部，云南 騰沖 679100)

為確保橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性，必 須合理確定橋址區(qū)的風(fēng)場特性，以便為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù).橋址區(qū)風(fēng)場特性的確定一般可以采用 CFD(computational fluid dynamics)仿真模擬［1-2］、風(fēng)洞地形模型試驗(yàn)［3］和現(xiàn)場實(shí)測［4-6］3 種方法.

現(xiàn)場實(shí)測是目前確定橋址區(qū)風(fēng)場特性應(yīng)用最廣泛也是最直接的方法，國內(nèi)外已進(jìn)行大量現(xiàn)場實(shí)測.李杏平、劉明等分別對沿海平原地區(qū)的蘇通大橋、西堠門大橋橋址區(qū)的風(fēng)特性進(jìn)行了實(shí)測［7-8］;張玥、高亮分別對黃河中上游的禹門口黃河大橋和新疆阿拉山口、達(dá)坂城、額爾齊斯河河谷風(fēng)場進(jìn)行了實(shí)測［9-10］;朱樂東、龐加斌、金磊等分別對位于中西部山區(qū)的壩陵河大橋、四渡河大橋和矮寨大橋橋址區(qū)的風(fēng)特性進(jìn)行了觀測［11-13］;T Amano等采用三維多普勒雷達(dá)，對過境沖繩島的一個(gè)臺風(fēng)進(jìn)行了觀測［14］.

實(shí)測大多是在橋址區(qū)新建風(fēng)觀測塔，對橋址區(qū)的風(fēng)特性進(jìn)行實(shí)測［6-10］，也有利用在建的橋塔或主梁進(jìn)行橋址區(qū)風(fēng)場實(shí)測［15］的.無論是新建風(fēng)觀測塔，還是利用已有的主梁或橋塔對橋址區(qū)風(fēng)特性進(jìn)行實(shí)測，多數(shù)未能充分考慮風(fēng)觀測塔或橋梁構(gòu)造物對觀測的影響.實(shí)測中，由于大部分風(fēng)傳感器距離構(gòu)造物在5 m以內(nèi)，不能忽略構(gòu)造物對測量結(jié)果的影響.因此，如何合理地選擇風(fēng)傳感器的安裝位置以及如何對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，是需要解決的問題.

本文分析了風(fēng)傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響，對山區(qū)橋塔上風(fēng)傳感器的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，并給出了不同來流下風(fēng)速和風(fēng)向的修正函數(shù).

1 工程背景

以位于云南西部山區(qū)的龍江大橋?yàn)楣こ瘫尘?龍江大橋是保騰(保山—騰沖)高速公路控制性工程，是主跨為1196 m的單跨懸索橋，錨跨320 m，跨徑組合為320 m+1196 m+320 m.橋塔采用混凝土組合圓形截面，橋塔橫梁采用箱形梁截面，保山岸索塔(東塔)和騰沖岸索塔(西塔)的高度分別為178和137 m.

龍江大橋主梁設(shè)計(jì)高程距離河谷底約285 m，河谷呈“V”型.橋址區(qū)地形地貌復(fù)雜，風(fēng)環(huán)境惡劣，加之該橋跨度大、橋塔高，結(jié)構(gòu)較柔性，對風(fēng)的作用非常敏感.因此，對龍江大橋的風(fēng)特性進(jìn)行了長期現(xiàn)場實(shí)測，風(fēng)傳感器安裝在風(fēng)速較大的保山側(cè)橋塔上.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

采用計(jì)算流體力學(xué)大型商用軟件Fluent，針對研究對象，利用前處理軟件Icem建立橋塔附近流動(dòng)區(qū)域的幾何形狀，設(shè)定邊界類型并生成網(wǎng)格，輸出用于Fluent求解器計(jì)算的格式，選擇合適的模型和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

為考察不同來流風(fēng)向下橋塔附近風(fēng)場的變化規(guī)律，采用600 m×600 m的正方形計(jì)算區(qū)域.橋塔截面最大特征尺寸為7.5 m，計(jì)算區(qū)域內(nèi)阻塞率最大為2.5%，阻塞率滿足計(jì)算要求.有限元模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散.為重點(diǎn)分析橋塔附近的風(fēng)場，對橋塔區(qū)周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密，遠(yuǎn)離橋塔區(qū)的網(wǎng)格劃分相對較稀.計(jì)算區(qū)域內(nèi)共劃分網(wǎng)格約63萬個(gè).根據(jù)來流風(fēng)向的不同設(shè)置入口和出口邊界，入口邊界采用速度入口，出口邊界采用壓力出口，橋塔壁面采用無滑移邊界條件.采用k-ω湍流模型分析計(jì)算區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場流動(dòng).計(jì)算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分見圖1.

圖1 計(jì)算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分Fig.1 Local meshes in computational domain

2.2 計(jì)算工況

已有的氣象觀測資料表明，橋位處的風(fēng)向較為固定，主要以順河道的東南風(fēng)和西北風(fēng)為主.橋位處日常大風(fēng)10 min平均風(fēng)速最大約12 m/s.根據(jù)橋位處已有的風(fēng)向和風(fēng)速資料，設(shè)置了5種不同來流風(fēng)向的計(jì)算工況，這些工況包含了橋位處的主要來流風(fēng)向.同時(shí)，針對核心工況3設(shè)置了5種不同來流風(fēng)速，工況1～5見圖2(a).

為減少2個(gè)塔肢的干擾，風(fēng)傳感器的安裝選定在主風(fēng)向迎風(fēng)側(cè)的上游塔肢上，因此重點(diǎn)分析上游塔肢附近的風(fēng)場.為全面了解橋塔周圍的繞流情況，有限元模型中，在上游側(cè)塔肢周圍以塔中心為圓心的一系列圓周上布置虛擬風(fēng)觀測點(diǎn)(見圖2(b))，每個(gè)圓周上均布置32個(gè)虛擬風(fēng)觀測點(diǎn)，兩觀測點(diǎn)間隔的角度為11.25°.圓半徑從5.5～12.5 m，虛擬風(fēng)觀測點(diǎn)離橋塔表面的距離為1.75～8.75 m.假定橋塔的特征尺寸為D，相當(dāng)于虛擬風(fēng)觀測點(diǎn)離橋塔的距離為0.2D～1.2D.

圖2 計(jì)算工況及虛擬風(fēng)觀測點(diǎn)布置Fig.2 Calculation cases and virtual observation points

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 塔周流場

工況3的來流風(fēng)向處于橋位處主風(fēng)向中心，能代表橋位處40%的來流風(fēng)向，故就該來流風(fēng)向?qū)蛩車牧鲌鲞M(jìn)行分析.根據(jù)工況3的來流風(fēng)向?qū)蛩車挠^測點(diǎn)分為2類——直接面對來流方向的觀測點(diǎn)稱為迎風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)，背向來流方向的觀測點(diǎn)稱為背風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn).

離塔柱不同距離處迎風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)的風(fēng)速比值(觀測點(diǎn)處的風(fēng)速與來流風(fēng)速之比)見圖3(a).可見，風(fēng)速比值在0.45～1.30之間波動(dòng)，隨觀測點(diǎn)距塔柱距離增大，風(fēng)速比值波動(dòng)幅度迅速減小，逐漸趨近于1.0;在與來流方向夾角為 45.0°～56.5°和－45.0°～ －56.5°的區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速比值隨距塔距離增大而迅速減小，當(dāng)距離為0.6D時(shí)已趨近于1.0，表明此時(shí)風(fēng)觀測點(diǎn)處的風(fēng)速和來流風(fēng)速相同.

背風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)的風(fēng)速比值見圖3(b).由于背風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)大部分位于橋塔尾流區(qū)，故風(fēng)速波動(dòng)較大.正尾流區(qū)的風(fēng)速比值均小于0.3，表明該區(qū)域內(nèi)風(fēng)傳感器測得的風(fēng)速僅為實(shí)際風(fēng)速的0.3倍，因此不考慮在主風(fēng)向的背風(fēng)側(cè)安裝風(fēng)傳感器.

圖3 觀測點(diǎn)風(fēng)速比值Fig.3 Wind speed ratio of observation points

圖4 觀測點(diǎn)風(fēng)向角誤差Fig.4 Deviation of wind direction of observation points

觀測點(diǎn)風(fēng)向角的誤差見圖4.風(fēng)向角誤差是指風(fēng)傳感器安裝位置處的計(jì)算風(fēng)向與實(shí)際來流風(fēng)向的夾角.從圖4(a)可見，正對來流方向(迎風(fēng)側(cè))的測點(diǎn)，其風(fēng)向角誤差最小，其次為與來流風(fēng)向成90°的測點(diǎn).總的說來，風(fēng)向角的誤差隨觀測點(diǎn)距橋塔距離增大而迅速減小.在與來流風(fēng)向夾角為45.0°～56.5°和 －45.0°～ －56.5°范圍內(nèi)，當(dāng)距橋塔距離達(dá)到1.0D時(shí)，風(fēng)向角的誤差小于10°.從圖4(b)可見，背風(fēng)側(cè)處于橋塔尾流區(qū)，風(fēng)向比較紊亂，規(guī)律性不明顯.

根據(jù)以上分析可見，若以風(fēng)速比值介于0.9～1.1之間，風(fēng)向角誤差在±10°以內(nèi)為原則，風(fēng)傳感器較優(yōu)的安裝位置為距橋塔距離大于1.0D，且與來流風(fēng)向的夾角為 45.0°～56.5°和 －45.0°～－56.5°范圍內(nèi).

3.2 風(fēng)速的影響

仍采用核心工況3的來流風(fēng)向.根據(jù)上述分析，風(fēng)傳感器的安裝位置應(yīng)距離橋塔1.0D以上，因此，采用距離橋塔1.0D處迎風(fēng)側(cè)的觀測點(diǎn)來考察風(fēng)速的影響.

圖5為迎風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)的風(fēng)速比值和風(fēng)向角誤差隨來流風(fēng)速(分別為6、8、10、12和14 m/s)的變化.可見，盡管來流風(fēng)速不同，但風(fēng)速比值、風(fēng)向角誤差基本不變，表明風(fēng)傳感器的安裝位置對風(fēng)速不敏感.

圖5 風(fēng)速的影響Fig.5 Influence of wind speed

3.3 風(fēng)向的影響

以距離橋塔1.0D處迎風(fēng)側(cè)的觀測點(diǎn)來分析來流風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速比值和風(fēng)向角誤差的影響.迎風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)風(fēng)速比值隨風(fēng)向的變化見圖6(a).

從圖6(a)可見:

(1)來流風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速比值的影響明顯，說明來流風(fēng)向改變是引起風(fēng)速比值變化的主要因素;

(2)在5種不同來流風(fēng)向下，風(fēng)傳感器在擬定的安裝區(qū)域內(nèi)均能滿足風(fēng)速比值在0.9～1.1之間的要求.

圖6 風(fēng)向的影響Fig.6 Influence of wind direction

迎風(fēng)側(cè)觀測點(diǎn)風(fēng)向角誤差隨風(fēng)速的變化見圖6(b).

從圖6(b)可見:

(1)風(fēng)向角誤差也與來流風(fēng)向緊密相關(guān);

(2)在5種不同來流風(fēng)向下，擬定安裝區(qū)域內(nèi)均滿足風(fēng)向角誤差小于±10°的要求.

3.4 觀測結(jié)果修正

以上分析表明，風(fēng)傳感器安裝在距離橋塔1.0D 以上、與來流方向夾角為 45.0°～56.5°和－45.0°～ －56.5°范圍內(nèi)時(shí)，可同時(shí)滿足風(fēng)速比值在0.9～1.1之間和風(fēng)向角誤差小于10°的要求，且具有較強(qiáng)的風(fēng)速適應(yīng)性.

此外，即使風(fēng)傳感器安裝在上述優(yōu)化區(qū)域，風(fēng)速比值仍在1.0附近波動(dòng)，風(fēng)向角也有10°以內(nèi)的誤差，因此需要對實(shí)測風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行修正.可基于CFD的以上分析結(jié)果確定風(fēng)速修正系數(shù)和風(fēng)向角修正值.圖7(a)為風(fēng)速修正系數(shù)與來流風(fēng)向的關(guān)系(風(fēng)向角以工況1來流方向?yàn)?°).

從圖7(a)可見，風(fēng)速修正系數(shù)與來流風(fēng)向近似呈線性關(guān)系變化.因此，修正后的風(fēng)速

ux=ruc，

式中:uc為測量風(fēng)速;

r為風(fēng)速修正系數(shù)，可根據(jù)擬合函數(shù)(圖7(a))獲得.

圖7 風(fēng)速和風(fēng)向角修正Fig.7 Corrections of wind speed and wind direction

從圖7(b)可見，風(fēng)向角誤差與來流風(fēng)向近似呈拋物線關(guān)系變化.因此，修正后的風(fēng)向角

β =βc+βx，

式中:βc為測量風(fēng)向角;

βx為風(fēng)向角修正值，可根據(jù)擬合函數(shù)(圖7(b))獲得.

4 結(jié)論

對峽谷區(qū)橋塔上風(fēng)傳感器的安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化，分析了風(fēng)傳感器安裝位置對測量結(jié)果的影響，獲得以下結(jié)論:

(1)橋塔對風(fēng)觀測結(jié)果的影響較大，即使風(fēng)傳感器位于迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)速比值仍然在0.45～1.30之間波動(dòng)，實(shí)際觀測需要考慮橋塔對空氣流動(dòng)的影響.

(2)對圓柱形橋塔，風(fēng)傳感器的安裝位置應(yīng)距離橋塔外表面1.0倍特征尺寸以上，與來流風(fēng)向的夾角宜在 ±(45.0°～56.5°)范圍內(nèi).

(3)優(yōu)化后的風(fēng)傳感器安裝位置對風(fēng)速不敏感，但對風(fēng)向較敏感，因此，風(fēng)傳感器的安裝位置應(yīng)根據(jù)橋位處的主導(dǎo)風(fēng)向確定.

(4)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)宜進(jìn)行修正，修正可減小橋塔對觀測結(jié)果的影響.

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