起伏地形對高速公路橋梁段區域風場影響的研究

崔雄飛

【摘 要】隨著改革開放的進行和社會經濟的迅猛發展，工業化、城鎮化的步伐逐漸加快，國家公路網規模在不斷發展變化中出現了更為巨大的需求，高速公路基礎設施建設開始發生了歷史性轉變。高速公路的飛速發展使我國的交通系統更加完善，促進了城鄉區域協調發展，推動了我國城鎮化的進程。因此，為了不斷推動我國高速公路不斷發展，本文將針對起伏地形對高速公路橋梁段區域風場的影響展開研究。

【關鍵詞】起伏地形；高速公路；風場

近年來，隨著交通事業的高速發展和西部大開發戰略的實施，山區高速公路的建設日益增多，由于山區地形較為復雜，很多區段都會架設高速公路橋梁段，以達到跨越不同的地形地貌、實現地區間交互聯通的效果。目前，橋梁風工程的研究主要集中在風荷載計算、抗風設計、平坦地形條件下橋梁區域風場的數值模擬等方面，缺少對起伏地形條件下高速公路橋梁段區域風場的研究。基于這樣的現實情況，本文的研究則更加具有實用性。

1 高速公路建設對環境的影響

在研究起伏地形對高速公路橋梁段區域風場之前，首先應該明確高速公路的建設對周圍環境的影響，只有在此基礎上才能夠對起伏地形的影響作出正確的判斷。

1.1 影響生態環境

修建高速公路的過程中，必然會發生填筑、開挖、橋隧施工、修筑便道等施工活動，這樣會造成植被破壞、改變原有的地表環境、引起水土流失，直接導致生物死亡率的上升，惡化了動物棲息的生態環境。生物自然生活環境遭到物理性破壞，從而降低生物多樣性。

1.2 影響環境的物理性與化學性

高速公路建設改變了所在區域的土壤密度、土壤水分含量、溫度、光照強度、地表徑流，增加了煙塵、顆粒物等大氣污染。不僅如此，關于高速公路建設對環境的化學性影響的研究比較多，化學影響主要來源于交通運輸過程中釋放的化學物質對空氣、水、和生物的污染。

1.3 對環境產生阻隔效應

髙速公路作為一種重要的交通設施，會阻隔一些自然過程，如改變地面水流方向、影響植物擴散、阻礙動物在道路間的活動等。道路的阻隔將動物種群分割為多個小的局域種群，減弱了動物對環境的適應能力，導致種群滅絕率增加。

2 大氣邊界層風場特性

在明確了高速公路對環境的影響后，本文將針對大氣邊界層風場的特性進行研究，從而分析出起伏地形對于高速公路橋梁段區域風場的影響。

風是空氣相對于地面的運動。由于太陽對地球上大氣加熱和溫度上升的不均勾性，從而在地球相同高度的兩點產生壓力差，這樣，使不同壓力差的地區產生了趨于平衡的空氣流動，這便是風產生的根本原因。地球表面的摩擦會對空氣水平運動產生阻力，從而使氣流速度降低，隨著高度的增大該阻力對氣流的作用逐漸減弱，當超過了一定的高度之后，這種地面摩擦的影響就可以忽略不計。氣流將沿等壓線以梯度風流動，稱這一髙度為大氣邊界層高度或邊界層厚度。在邊界層以上的大氣稱為自由大氣，以梯度風速流動的起點高度稱作梯度風高度。

一般地，自然風可以分解為兩個部分：第一部分是長周期，其周期大小一般在以上；另一部分是短周期，其周期往往只有幾秒至幾十秒。第一部分的作用屬于靜力性質，稱為平均風；而第二部分屬于隨機的動荷載，稱為脈動風。

2.1 平均風

平均風是在給定時間內，風力大小、方向等不隨時間改變的量。平均風特性主要指場地基本風速，風速沿高度的變化曲線的規律等等，定義基本風速涉及地面粗糙度標準、高度標準、重現期與時距標準個因素的選取。我國《公路橋梁抗風設計規范》規定當橋梁所在地區的氣象臺站具有足夠的連續風速觀測數據時，可采用當地氣象臺站年最大風速的概率分布類型，由平均年最大風速推算年重現期的數學期望值作為基本風速。在大氣邊界層中，平均風速隨高度的變化而變化，且隨建筑物所在區的地貌地表粗糙度而變化，其變化規律稱為風速剖面。而氣象學家一般釆用對數律表示強風風速剖面，在高度內可以有效地模擬實際風速分布。相比對數律來說，指數律計算更加方便，且計算結果基本相同，我國《公路橋梁抗風設計規范》采用的就是指數律。

2.2 脈動風

脈動風速是指在某時刻空間某點的瞬時風速與平均風速的差值，它能夠反映大氣邊界層中自然風的瑞流特性，瑞流特性對工程結構的作用十分重要。表征風的脈動分量的參數主要包括瑞流強度和瑞流積分尺度，脈動風的風速譜和相干函數。

3 起伏地形對高速公路橋梁段區域風場的影響

3.1 迎風側起伏地形對高速公路橋梁段區域風場的影響

當起伏地形高度低于橋面高度時，一部分氣流穿過橋底，在地形背風側與橋壤之間存在一個沿橋長方向分布的風速梯度帶，起伏地形高度越大，風速梯度越大。氣流遭遇橋墩之后，發生分離、再附的現象，并在橋墩兩側附近匯聚，風速增大。氣流穿過橋底，風速變化趨于平穩，在背風面橋后側形成了狹長的風速尾流區。

當起伏地形高度大于橋面高度時，氣流繞過起伏地形之后，在其背側產生旋禍，故地形背風面存在沿橋長方向分布的低速區，起伏地形高度越大，旋禍發展越強烈，低速區范圍越大。氣流穿過橋底，由于地形背風區域旋禍的影響，橋底區域的風場分布產生了較大的改變，起伏地形高度越大時，旋潤發展越劇烈，風向越混亂，橋底區域的風場分布越復雜；起伏地形高度較小時，迎風面護欄內側產生較為明顯的旋禍，離橋面高度范圍內存在沿橋梁高度方向分布的風速梯度帶。

復雜地形條件下，地形背風側產生較大的旋禍，橋底區域的風場分布較為復雜；位于支點處的橋面上方區域風速較低。來流在繞過地形和橋面的過程中，單一地形條件下的風速比復雜地形條件下的風速要大。這說明地形越復雜，橋面上方的風速值越小。

3.2 背風側起伏地形對高速公路橋梁段區域風場的影響

氣流經過橋底區域時，受到背風側地形的影響，導致橋底區域的風速有逐漸減小的趨勢。起伏地形高度越大，橋底區域的風速越小；氣流穿過橋底后，遭遇起伏地形的阻礙，風速逐漸降低，故地形迎風側存在一個風速梯度帶，起伏地形高度越大，風速梯度越大。氣流繞過橋墩，在橋墩與地形之間產生回流，故在橋墩背側存在低速區；背風側起伏地形條件下，氣流繞過迎風側護欄，護欄內側產生旋渦，起伏地形高度越大，旋渦產生的范圍越大。

離橋面5m高度范圍內，不同起伏地形高度的條件下，橋面上方區域的風速變化趨勢大致相近，但是風速梯度明顯不同，隨著起伏地形高度的增加，風速梯度越大，橋面上方的風速越小；復雜地形對橋底區域的風場影響較大，地形越復雜，橋底區域的風速越小。在橋面上方1.5m處，復雜地形條件下的風場分布更加復雜，渦流發展更為劇烈；在離橋面高度5m范圍內，單一、復雜地形兩種條件下的風速變化趨勢大致相近。復雜地形條件下的風速略小于單一地形條件下的風速。

結束語

本文在分析了高速公路建設對環境影響的基礎上，詳細介紹了大氣邊界層風場的特性，并有針對性地分析了平均風與脈動風，并最終從迎風側起伏地形、背風側起伏地形兩個角度總結出了起伏地形對高速公路橋梁段區域風場的影響，希望能夠為今后的高速公路橋梁區域建設提供一定的理論支持。

參考文獻：

[1]蔡星美.高速公路橋梁檢測分析評價與維修加固[J].黑龍江交通科技，2017，40（4）：127-128.

[2]楊鵬，方德春，肖鴻，等.山區高速公路橋梁工程安全風險評價淺析[J].公路交通科技（應用技術版），2017（4）：211.

[3]陳堅.軟基路段新建市政道路下穿既有高速公路主線橋梁的設計研究[J].河南建材，2017（3）：182-185.

[4]吳剛，覃李麗，陳豐，等.山區高速公路橋隧連接段駕駛仿真與安全評價[J].交通科技，2018（3）.

[5]趙達峰.穿越特殊地段高速公路橋梁樁基施工方法研究[J].建筑技術開發，2017，44（1）：128-129.