白 樺，李加武，劉健新

(長安大學(xué) 公路學(xué)院 公路大型結(jié)構(gòu)安全教育部工程中心，西安 710064)

近年來，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)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(qū)多山谷溝壑，橋梁結(jié)構(gòu)形式多選用連續(xù)剛構(gòu)。一些高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，墩高已接近200 m。隨著墩高及跨度的增大，橋梁結(jié)構(gòu)剛度降低，振動頻率下降，對風(fēng)的敏感性增高，風(fēng)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(qū)，周圍風(fēng)環(huán)境比較復(fù)雜。要對橋梁的抗風(fēng)性能進行研究，必須首先了解橋址處的風(fēng)場特性。由于現(xiàn)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(fēng)洞試驗了解橋址處的風(fēng)場特性。已有的關(guān)于山區(qū)風(fēng)場特性的研究表明［1－3］:當來流通過山體時，在山頂處風(fēng)速有加速效應(yīng)。山谷中的脈動風(fēng)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(fēng)洞試驗得到地形修正系數(shù)，以此來確定橋梁的設(shè)計基本風(fēng)速。胡峰強等［7］研究表明橋址處的平均風(fēng)攻角不在常規(guī)的－3°～3°范圍內(nèi)。山區(qū)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(qū)地形的風(fēng)場特性有統(tǒng)一的定量性的指導(dǎo)標準，只能通過不同的地形進行大量試驗，以此總結(jié)山區(qū)地形的一般規(guī)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(qū)之間的河谷階地地區(qū)，河谷兩側(cè)斜坡地形起伏較大，斜坡較陡，坡度為55°～60°之間?？紤]該地區(qū)風(fēng)環(huán)境較復(fù)雜，文獻［4］中缺乏相關(guān)指導(dǎo)資料，有必要通過地形模型風(fēng)洞試驗掌握橋址處風(fēng)特性的基本參數(shù)，從而了解西部河谷地區(qū)風(fēng)場特性，為同類地區(qū)相關(guān)橋梁的抗風(fēng)設(shè)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(cè)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(fēng)洞試驗

2.1 地形模型設(shè)計及測量

風(fēng)洞試驗?zāi)M大橋周邊1.5km范圍內(nèi)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(jù)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(fēng)洞轉(zhuǎn)盤之上，通過轉(zhuǎn)盤驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)風(fēng)向角變化，定義橫橋向上游(北側(cè))為模型270°風(fēng)向角，順時針旋轉(zhuǎn)角度增加。

橋址處風(fēng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成風(fēng)速，達到多點同步測量的目的。壓力測量系統(tǒng)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(fēng)洞試驗在長安大學(xué)風(fēng)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(fēng)向下，從墩底到墩頂?shù)娘L(fēng)速。風(fēng)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(fēng)洞模型試驗的測點。風(fēng)向角的范圍為:0°～315°，按45°步長增加，共8個風(fēng)向角。為充分研究地形的風(fēng)特性參數(shù)，試驗在均勻流場中進行。

3 風(fēng)洞試驗結(jié)果及分析

3.1 河谷風(fēng)效應(yīng)

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(fēng)洞試驗時參考點高度，為1.42 m。Vref為參考點高度處的風(fēng)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(fēng)向角風(fēng)速隨高度變化結(jié)果。由圖3可見:山坡處測點隨高度增加風(fēng)速增長較快。河谷中央測點隨高度增加風(fēng)速增長較慢，尤其是風(fēng)垂直山脈吹過來時(0°和45°風(fēng)向角)，風(fēng)速增長最慢;西側(cè)山脈平均高度較東側(cè)山脈高，故西風(fēng)時風(fēng)速增長較東風(fēng)時慢(0°較180°)。

當風(fēng)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(nèi)平均風(fēng)速很小且?guī)缀醪蛔?，在接近山頂時隨著高度增加風(fēng)速急劇增大。這是由于氣流受阻，河谷中的風(fēng)速將比平地減弱，而且河谷欲深、欲窄或兩側(cè)屏蔽愈大，河谷中的風(fēng)速減弱欲甚。說明遮擋效應(yīng)使風(fēng)速在垂直方向變化急劇，風(fēng)速輪廓線甚至出現(xiàn)拐點。

橫橋風(fēng)向(90°，135°和 270°，315°)的河谷風(fēng)經(jīng)過通長順直河谷到達橋位處，平均風(fēng)速垂直分布接近傳統(tǒng)的風(fēng)剖面。其他風(fēng)向受前方山脈遮擋，河谷底部分區(qū)域內(nèi)風(fēng)速垂直分布無明顯規(guī)律，在相當前方山脈平均海拔高度之上風(fēng)速輪廓才趨于傳統(tǒng)風(fēng)剖面特征。位于山坡上的12號橋墩處平均風(fēng)速在180°，270°，315°來流作用下，風(fēng)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(fēng)速受前方地表粗糙長度影響距離短。邊界層未能充分發(fā)展就迅速接近試驗風(fēng)速。

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

圖3 不同風(fēng)向角風(fēng)速變化圖Fig.3 The change of wind speed with different wind angles

3.2 平均風(fēng)剖面

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

如圖4所示:當來流風(fēng)向角改變時，各測點位置的風(fēng)剖面也隨之發(fā)生變化。12號測點位置由于靠近山頂，所以不同風(fēng)向角來流在此處形成的風(fēng)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(fēng)向角改變后，測點位置處的風(fēng)剖面變化也較大。當來流風(fēng)向保持不變時，不同橋墩位置處的風(fēng)速剖面也不相同，順河谷來流(90°風(fēng)向，270°風(fēng)向和315°風(fēng)向)在不同橋墩處形成的風(fēng)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(fēng)剖面變化較大。

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

圖4 各風(fēng)向不同橋墩處地形風(fēng)剖面指數(shù)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(qū)類似。由于山區(qū)地形各向異性特征，橋址處湍流強度隨風(fēng)向角與測點位置不同顯著變化，靠近兩側(cè)山坡測點的湍流強度明顯大于遠離山坡的測點。

橋梁抗風(fēng)更為關(guān)心的是橫橋向風(fēng)橋面高度位置湍流強度?？紤]到實際地形周邊更大范圍地形特征湍流的影響，橫橋向風(fēng)受到的實際遮擋效應(yīng)引起的湍流度可采用橫橋向鄰近偏角的來流狀態(tài)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(fēng)向角為135°時12號墩頂橋面處有最大湍流度61.5%。北風(fēng)向湍流度最大，河谷風(fēng)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(fēng)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(fēng)工程領(lǐng)域的一個重要參數(shù)，反映了氣流中湍流渦旋的平均尺寸。渦旋的大小對橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)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(xiàn)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(shè)［8］，用自相關(guān)函數(shù)代替空間相關(guān)函數(shù)，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(jié)果。由表1可見:由于周圍地形干擾，相同位置隨來流風(fēng)向不同，湍流積分尺度會發(fā)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(fēng)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(jié)果Tab.1 The results of turbulence integral scale

3.5 脈動風(fēng)功率譜

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

式中:su(n)表示順風(fēng)向脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)，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(fēng)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(fēng)功率譜。河谷風(fēng)(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(fēng)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(qū)當來流受周邊地形影響明顯時，會使其風(fēng)譜能量衰減很快，不符合慣性子區(qū)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(fēng)譜能量耗散幾乎不受周邊邊界條件的影響，符合慣性子區(qū)譜的特點。圖7很好的反映了這一規(guī)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(shè)計基準風(fēng)速

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

由地形模型試驗擬合的地表粗糙度系數(shù)為0.142，梯度風(fēng)高度為327.5 m，根據(jù)梯度風(fēng)高度處的風(fēng)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(tài)的設(shè)計基準風(fēng)速為:

4 結(jié)論

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

(2)遮擋效應(yīng)是山區(qū)河谷中風(fēng)特性的重要特征之一，由于周圍高山遮擋，越山風(fēng)下游的尾流區(qū)及其影響范圍非常大，使得整個河谷內(nèi)部流動完全被局部地形繞流和尾流控制，平均風(fēng)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(fù)。湍流積分尺度與脈動風(fēng)功率譜也受到山地地形較大影響。

(3)由于橋梁結(jié)構(gòu)位于河谷內(nèi)，平均風(fēng)速在來流風(fēng)速的基礎(chǔ)上被衰減而非放大。橋址處無明顯的峽谷風(fēng)效應(yīng)。依據(jù)地形模型試驗擬合的地表粗糙度指數(shù)及梯度風(fēng)高度求得橋面高度成橋狀態(tài)的設(shè)計基準風(fēng)速為43.86 m/s。

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