西部河谷地區三水河橋址風場特性試驗研究

白 樺，李加武，劉健新

(長安大學 公路學院 公路大型結構安全教育部工程中心，西安 710064)

近年來，隨著我國交通事業的快速發展，跨越山、河、溝、谷的地方修建了越來越多的橋梁。我國西部地區多山谷溝壑，橋梁結構形式多選用連續剛構。一些高墩大跨連續剛構橋，墩高已接近200 m。隨著墩高及跨度的增大，橋梁結構剛度降低，振動頻率下降，對風的敏感性增高，風荷載成為這類橋梁的控制性荷載之一。由于這類橋梁大都修建在山區，周圍風環境比較復雜。要對橋梁的抗風性能進行研究，必須首先了解橋址處的風場特性。由于現場實測費時費力，受工期進度的限制不便開展，往往借助地形模型風洞試驗了解橋址處的風場特性。已有的關于山區風場特性的研究表明［1－3］:當來流通過山體時，在山頂處風速有加速效應。山谷中的脈動風功率譜密度與文獻［4］中建議值存在顯著差異［5］。龐加斌［6］通過地形風洞試驗得到地形修正系數，以此來確定橋梁的設計基本風速。胡峰強等［7］研究表明橋址處的平均風攻角不在常規的－3°～3°范圍內。山區橋梁由于其所處地形位置的特殊性，盡管已取得了一些研究成果，但很難對山區地形的風場特性有統一的定量性的指導標準，只能通過不同的地形進行大量試驗，以此總結山區地形的一般規律。

本文的工程背景是咸陽至淳化至旬邑高速公路跨越三水河的特大型橋梁三水河橋。該橋址位于黃土塬區之間的河谷階地地區，河谷兩側斜坡地形起伏較大，斜坡較陡，坡度為55°～60°之間。考慮該地區風環境較復雜，文獻［4］中缺乏相關指導資料，有必要通過地形模型風洞試驗掌握橋址處風特性的基本參數，從而了解西部河谷地區風場特性，為同類地區相關橋梁的抗風設計提供借鑒。

1 工程概況

三水河特大橋位于陜西省咸陽市旬邑縣甘峪村，橋面海拔高度約1110 m。大橋橫跨三水河，枕于兩側山頭之上，橋面高度與山頂高度基本一致。

橋位地形為三水河兩岸的南北走向的山嶺。如圖1所示，西面山嶺海拔高度從900 m至1200 m不等，平均不超過1100 m;東面從900 m至1000 m變化，平均高度不超過1000 m。山嶺從北向南漸窄，大橋處于峽谷中部。

圖1 橋址地形平面圖Fig.1 Sketch of terrain at the bridge site

2 地形模型風洞試驗

2.1 地形模型設計及測量

風洞試驗模擬大橋周邊1.5km范圍內的地形，如圖2所示，模型比例為1:600。模型直徑2.5 m，模型以外采用斜坡板模擬地形的漸變。模型的底部高度相當于海拔高度930 m，為河谷底部最低點的高度。模型的阻塞度小于10%。

模型采用泡沫塑料板分層疊加而成，每層的形狀根據等高線切割成型。每層泡沫塑料厚度1 cm，相當于實際地形高差6 m。

地形模型固定在風洞轉盤之上，通過轉盤驅動機構實現風向角變化，定義橫橋向上游(北側)為模型270°風向角，順時針旋轉角度增加。

橋址處風速的測量采用自制的機翼形狀的排管，如圖2所示。排管上由低到高每隔5～10mm布一測壓孔，共布置38個測點，測量由低到高的壓力，通過各點測壓數據轉換成風速，達到多點同步測量的目的。壓力測量系統采用美國PSI公司的電子壓力掃描閥。

圖2 橋位地形模型(比例1∶600)Fig.2 Terrain model at the bridge site(scaling 1∶600)

2.2 試驗工況

風洞試驗在長安大學風洞實驗室進行。試驗主要測試了12號～16號墩(12號橋墩和16號橋墩在半山腰，墩高120 m，其余墩高180 m)在不同風向下，從墩底到墩頂的風速。風向與模型方位的示意圖如圖2所示，橋址處模型測點位置圖如圖1所示，其中黑色方點表示風洞模型試驗的測點。風向角的范圍為:0°～315°，按45°步長增加，共8個風向角。為充分研究地形的風特性參數，試驗在均勻流場中進行。

3 風洞試驗結果及分析

3.1 河谷風效應

圖3(圖中紅直線為橋墩高度線，黑直線為橋面高度線，Href為風洞試驗時參考點高度，為1.42 m。Vref為參考點高度處的風速。)為12號橋墩(位于山坡上)與14號橋墩處(位于河谷中)不同風向角風速隨高度變化結果。由圖3可見:山坡處測點隨高度增加風速增長較快。河谷中央測點隨高度增加風速增長較慢，尤其是風垂直山脈吹過來時(0°和45°風向角)，風速增長最慢;西側山脈平均高度較東側山脈高，故西風時風速增長較東風時慢(0°較180°)。

當風向垂直河谷(順橋向0°，45°和 180°，225°)時，相比靠近邊坡的位置，在河谷中央底部一段高度范圍內平均風速很小且幾乎不變，在接近山頂時隨著高度增加風速急劇增大。這是由于氣流受阻，河谷中的風速將比平地減弱，而且河谷欲深、欲窄或兩側屏蔽愈大，河谷中的風速減弱欲甚。說明遮擋效應使風速在垂直方向變化急劇，風速輪廓線甚至出現拐點。

橫橋風向(90°，135°和 270°，315°)的河谷風經過通長順直河谷到達橋位處，平均風速垂直分布接近傳統的風剖面。其他風向受前方山脈遮擋，河谷底部分區域內風速垂直分布無明顯規律，在相當前方山脈平均海拔高度之上風速輪廓才趨于傳統風剖面特征。位于山坡上的12號橋墩處平均風速在180°，270°，315°來流作用下，風速垂直分布幾乎不變。分析可知，此處地形相比周邊地形較為突出，風速受前方地表粗糙長度影響距離短。邊界層未能充分發展就迅速接近試驗風速。

比較圖中各風向的平均風速水平分布情況，同一高度風速也不一致，說明山區地形邊界層厚度受地形變化影響發展不均衡。

圖3 不同風向角風速變化圖Fig.3 The change of wind speed with different wind angles

3.2 平均風剖面

如圖3所示不同風向來流在不同橋墩處形成的風剖面有如下規律:順橋向的來流(0°風向角及180°風向角)由于受到兩側山體的影響，風速剖面不服從冪指數變化規律。橫橋向來流(90°風向角和270°風向角)的峽谷風經過通長順直峽谷到達橋位，平均風速垂直分布接近傳統的風剖面。其他風向來流，由于受山脈遮擋，峽谷底部部分區域內風速垂直分布無明顯規律。

如圖4所示:當來流風向角改變時，各測點位置的風剖面也隨之發生變化。12號測點位置由于靠近山頂，所以不同風向角來流在此處形成的風剖面比較一致。其余的四個測點位置，由于均處于山坡或山谷中，風向角改變后，測點位置處的風剖面變化也較大。當來流風向保持不變時，不同橋墩位置處的風速剖面也不相同，順河谷來流(90°風向，270°風向和315°風向)在不同橋墩處形成的風剖面比較一致，不受周圍地形影響。其他方向來流，受到周圍地形影響在不同橋墩處形成的風剖面變化較大。

各測點在不同風向角下擬合的風剖面指數主要分布在0.2～0.4之間。有如下規律:① 河谷風平均風剖面指數較其他風向的小。② 除來流與河谷走向一致時風剖面接近冪指數分布外，其他風向角下風剖面不符合冪指數分布，無法用指數律來表征其平均風剖面特性。③ 對于河谷風，風剖面近似服從冪指數規律變化，擬合得到指數為0.142梯度風高度為327.5 m。

圖4 各風向不同橋墩處地形風剖面指數Fig.4 Power exponent of wind speed profile of different wind angles and piers

3.3 湍流強度

從圖5可以看出，湍流強度垂直分布總體隨高度增加而減小，與平坦地區類似。由于山區地形各向異性特征，橋址處湍流強度隨風向角與測點位置不同顯著變化，靠近兩側山坡測點的湍流強度明顯大于遠離山坡的測點。

橋梁抗風更為關心的是橫橋向風橋面高度位置湍流強度。考慮到實際地形周邊更大范圍地形特征湍流的影響，橫橋向風受到的實際遮擋效應引起的湍流度可采用橫橋向鄰近偏角的來流狀態近似考慮，分析各鄰近偏角方向的來流湍流度，取其湍流度較大值作為橫橋向來流時水平方向湍流度。風向角為135°時12號墩頂橋面處有最大湍流度61.5%。北風向湍流度最大，河谷風湍流度最小。橋面高度跨中的湍流度大于15%。

3.4 湍流積分尺度

圖5 不同風向角時的湍流強度Fig.5 The turbulence intensity with different wind angles

湍流積分尺度是風工程領域的一個重要參數，反映了氣流中湍流渦旋的平均尺寸。渦旋的大小對橋梁結構風荷載有較大影響。湍流積分尺度在不同高度和不同地形條件下是不同的。由于在空間上很難實現多點同步測量，故湍流積分尺度的常用計算方法是基于Taylor假設［8］，用自相關函數代替空間相關函數，采用如下公式進行計算:

表1給出了12號橋墩及14號橋墩位置橋面高度處的湍流積分尺度結果。由表1可見:由于周圍地形干擾，相同位置隨來流風向不同，湍流積分尺度會發生改變。14號橋墩處于河谷中，距離周邊山地稍遠，湍流積分尺度隨風向角的變化不大。12號橋墩處于山坡上，受周圍山地影響較大，湍流積分尺度的變化也較大。順著河谷方向來流(90°，135°)當上游沒有山地影響時，河谷不同位置處測得的積分尺度比較接近。

表1 湍流積分尺度結果Tab.1 The results of turbulence integral scale

3.5 脈動風功率譜

脈動風功率譜是反映風場中脈動風的平均功率關于頻率分布的重要參數。目前我國規范建議的脈動風功率譜表達公式是Kaimal［10］提出的:

式中:su(n)表示順風向脈動風功率譜密度函數，n為頻率，u*為氣流摩阻速度，f=nZ/U(z)，為莫寧坐標。

圖6 14號橋墩功率譜Fig.6 The turbulence spectrum at the No.14 pier

圖7 90°風向功率譜Fig.7 The turbulence spectrum at the wind angles of 90°

圖6給出了14號橋墩位置橋面高度處橫橋向(90°)與順橋向(180°)的脈動風功率譜。河谷風(90°來流)由于不受周圍山地的影響，當頻率高于0.5Hz后與kaimal譜吻合的很好;順橋向(180°來流)由于受到山地的影響，地表粘性對脈動風譜能量耗散顯著，與標準kaimal譜相比高頻段能量明顯偏低。由此可見:西部河谷地區當來流受周邊地形影響明顯時，會使其風譜能量衰減很快，不符合慣性子區譜的條件。順河谷方向的來流，由于順河谷地形變化較緩，脈動風譜能量耗散幾乎不受周邊邊界條件的影響，符合慣性子區譜的特點。圖7很好的反映了這一規律，順河谷方向的來流(90°)在12號橋墩與14號橋墩橋面高度的功率譜均與kaimal譜吻合很好。而180°來流由于受到山地的影響，在這兩個橋墩位置處功率譜不能很好吻合kaimal譜，且這兩個位置處的功率譜由于受周圍山地影響程度不同也不能相互吻合。

3.6 橋面設計基準風速

根據全國基本風速分布圖得到該地區的基本風速為26.8 m/s。通過基本風速換算到B類地貌梯度風高度處的風速為:

由地形模型試驗擬合的地表粗糙度系數為0.142，梯度風高度為327.5 m，根據梯度風高度處的風速相等得到Vh=47.34 m/s。橋面到墩底的高度為191.5 m，可以得到三水河特大橋橋面高度成橋狀態的設計基準風速為:

4 結論

(1)試驗證實河谷橋位的風特性受分離或者回流影響，其風特性已經無法利用傳統的模型描述。當來流與河谷走向一致時風剖面接近冪指數分布，其他風向角風剖面不符合冪指數分布，無法用指數律來表征其平均風剖面特性。能用冪指數來表示的風剖面指數主要集中在0.2～0.4之間，河谷風平均風剖面指數較其他風向小，擬合得到指數為0.142。

(2)遮擋效應是山區河谷中風特性的重要特征之一，由于周圍高山遮擋，越山風下游的尾流區及其影響范圍非常大，使得整個河谷內部流動完全被局部地形繞流和尾流控制，平均風速減小，湍流脈動劇烈。特別是在接近邊坡的位置，橋面高度跨中的湍流度大于15%。大氣邊界層在山頂冠層之上才逐漸恢復。湍流積分尺度與脈動風功率譜也受到山地地形較大影響。

(3)由于橋梁結構位于河谷內，平均風速在來流風速的基礎上被衰減而非放大。橋址處無明顯的峽谷風效應。依據地形模型試驗擬合的地表粗糙度指數及梯度風高度求得橋面高度成橋狀態的設計基準風速為43.86 m/s。

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