張志田 譚卜豪 陳添樂

摘 ? 要：根據(jù)測風(fēng)塔和當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)，對(duì)江底河大橋橋址處深切峽谷的風(fēng)場特性進(jìn)行研究. 基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到橋址處風(fēng)場的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度和湍流的功率譜密度函數(shù). 結(jié)果表明：該橋所在的深切峽谷地形對(duì)風(fēng)向有鎖定作用、對(duì)風(fēng)速有加速作用、并且對(duì)各個(gè)風(fēng)向下的湍流特性有明顯的影響;深切峽谷順風(fēng)向湍流強(qiáng)度與平均速度的關(guān)系用反比例型函數(shù)擬合，擬合效果良好且高風(fēng)速下接近規(guī)范值;豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度明顯高于規(guī)范推算值. 順風(fēng)向?qū)崪y風(fēng)譜與Kaimal譜相差較大而與von Karman譜吻合較好 ;豎風(fēng)向?qū)崪y風(fēng)譜明顯大于Panofsky風(fēng)譜而與von Karman譜比較接近. 橫風(fēng)向?qū)崪y風(fēng)譜與Panofsky譜、von Karman譜都比較接近.

關(guān)鍵詞：深切峽谷;平均風(fēng)速;湍流強(qiáng)度;湍流積分尺度;湍流的功率譜密度

中圖分類號(hào)：P412.16;P425.2 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Based on the data obtained from a tower and a local meteorological station， the wind properties at the Jiangdihe Bridge site， located at a deep-cut valley，were investigated. According to statistical data processing， the mean wind properties， wind directions， turbulence integral scales， as well as wind spectra were obtained. The results show that the deep canyon terrain in which the bridge is located plays roles in locking the wind direction and accelerating the wind speed， and shows obvious influence on the turbulence characteristics. The relationship between the turbulent intensity and mean wind speed was obtained by fitting with inverse example functions， resulting in good fitting effect and high wind speed close to the standard value. The vertical turbulence intensities are much higher than those values specified in the China wind-resistant design specification for highway bridges. The wind spectra from the measured wind are quite different from the Kaimal spectrum， but in good agreement with the von Karman spectrum. The wind spectra of the vertical wind fluctuations are obviously larger than the Panofsky wind spectrum， but close to the von Karman spectrum. The measured across-wind spectra are quite close to both the Panofsky spectrum and the von Karman spectrum.

Key words： deep-cut canyon;mean wind speed;turbulence intensity;turbulence integral scale;power spectrum density of turbulence

隨著我國經(jīng)濟(jì)以及高速公路網(wǎng)的發(fā)展，在西部多山地區(qū)將架設(shè)越來越多的跨峽谷大橋. 為確保大橋在風(fēng)荷載的作用下能夠滿足行車安全、舒適的要求，需要對(duì)山區(qū)峽谷地形的風(fēng)特性進(jìn)行細(xì)致的研究. 張對(duì)禹門口黃河大橋西部谷口橋址處風(fēng)場特性研究[1]得出：湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速增大而減小;湍流積分尺度隨風(fēng)速增大而增大等結(jié)論. 朱樂東等對(duì)壩陵河大橋橋址處深切峽谷風(fēng)場進(jìn)行研究[2-4]得出：峽谷地區(qū)湍流強(qiáng)度脈動(dòng)風(fēng)譜高于平原地區(qū);峽谷風(fēng)主要改變了風(fēng)譜的低頻成分;各個(gè)方向湍流強(qiáng)度關(guān)系與規(guī)范給出較為接近等結(jié)論. 龐加斌等人對(duì)四渡河峽谷大橋橋位處的風(fēng)譜特性研究[5]得到：水平向湍流積分尺度相對(duì)于平坦地貌減小等結(jié)論. 李永樂等對(duì)龍江大橋橋址處風(fēng)場特性研究[6]表明：峽谷對(duì)風(fēng)速有5%～15%的加速效果. 本文通過對(duì)江底河大橋橋址處深切峽谷風(fēng)場特性的觀測，分析風(fēng)場的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度受峽谷地形影響的變化規(guī)律;基于Kármán[7]、Kaimal[8]、Davenport[9]等人通過理論和經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出的風(fēng)譜，分析峽谷風(fēng)場的風(fēng)譜特性.

1 ? 工程概況

1.1 ? 峽谷地形特點(diǎn)

江底河大橋擬建于距云南省楚雄市永仁縣西南25 km左右的深切峽谷中. 如圖1、圖2所示峽谷近似東西走向，南部海拔約1 712 m，北部海拔大約1 640 m，谷底海拔約為1 393 m，測風(fēng)塔位于峽谷北側(cè)海拔約1 610 m的平臺(tái)上. 峽谷兩岸的植被以低矮灌木為主，整體來看兩岸屬連綿起伏的丘陵地形.

1.2 ? 風(fēng)觀測方案

如圖3所示采用2層風(fēng)速儀進(jìn)行觀測，分別位于離地10 m高度及30 m高度處. 其中10 m高度風(fēng)觀測層安裝2臺(tái)進(jìn)口Young05103二維機(jī)械式風(fēng)速儀，2風(fēng)速儀水平間距為2.5 m，其連線走向?yàn)檎媳狈较颍ɑ酒叫杏跇蜉S線）;30 m高度風(fēng)觀測層安裝1臺(tái)進(jìn)口YOUNG81000三維超聲風(fēng)速儀以及1臺(tái)Young05103二維機(jī)械式風(fēng)速儀，二者水平間距以及連線走向與10 m高度處相同（三維風(fēng)速儀更靠近峽谷測）. 4臺(tái)風(fēng)速儀的采樣頻率均設(shè)置為1.0 Hz. 三維風(fēng)速儀測試精度為±0.05 m/s，風(fēng)速范圍為0～40 m/s，風(fēng)向范圍0～360°，仰角范圍±60°內(nèi). 二維風(fēng)速儀測量風(fēng)速精度為±0.3 m/s，測量范圍為0～100 m/s，風(fēng)向精度及測量范圍分別為±3°與0～360°.

采用CR1000信號(hào)采集儀將風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過485模塊即將RS235轉(zhuǎn)化成RS485之后通過GPRS無限傳輸模塊將風(fēng)速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室專門用于采集數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)中，完成數(shù)據(jù)的收集工作. 三維風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)正方向判定是正東風(fēng)向、正北風(fēng)向和正下方來流風(fēng)向?yàn)檎? 由于風(fēng)向與風(fēng)速方向相反，所以定義正西、正南、正上為x軸、y軸、z軸正方向.

2 ? 平均風(fēng)特性

由式（11）和b的性質(zhì)可得：由于外界因素不可控，所以每一個(gè)樣本中的b值都是不同的，在低風(fēng)速下b值對(duì)湍流強(qiáng)度影響大所以可以如實(shí)反映出湍流強(qiáng)度離散性大的情況;隨著風(fēng)速的增加b值對(duì)湍流強(qiáng)度的影響越來越小進(jìn)而趨于穩(wěn)定.

由于b值不確定性，只能通過樣本按照式（11）形式擬合湍流強(qiáng)度曲線，如圖8～圖10所示. 由圖可知：擬合的效果比一次函數(shù)擬合效果更好，并且高風(fēng)速下湍流強(qiáng)度趨于平穩(wěn)這一性質(zhì)也與實(shí)際現(xiàn)象相符合;規(guī)范中給出的湍流強(qiáng)度值在高風(fēng)速下才可與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比. 表2為擬合的反比例型函數(shù)分別在8 m/s、10 m/s風(fēng)速下湍流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果. 可以看出：當(dāng)平均風(fēng)速U由8 m/s增加到10 m/s時(shí)湍流強(qiáng)度減少3%，并且達(dá)到了理想湍流強(qiáng)度的82%～85%. 圖12為反比例型函數(shù)擬合湍流強(qiáng)度曲線與規(guī)范[11]曲線對(duì)比. 可以看出：湍流強(qiáng)度在高風(fēng)速下慢慢接近Ⅱ類粗糙度對(duì)應(yīng)湍流強(qiáng)度規(guī)范取值. Ⅱ類地形為平坦開闊地形與當(dāng)?shù)氐匦伪容^接近. 所以，針對(duì)平原區(qū)的湍流強(qiáng)度規(guī)范值在深切峽谷地形中同樣較為適用.

由湍流強(qiáng)度均值比值（見表3）可知：Iv /Iu比規(guī)范要求略小4%左右;Iw /Iu結(jié)果實(shí)際值比規(guī)范值要大15%左右;ESE、ES風(fēng)向Iw /Iu均值比WNW、WN風(fēng)向要大.

根據(jù)以上現(xiàn)象可以認(rèn)為湍流強(qiáng)度受地形影響較大：在順峽谷風(fēng)向下，峽谷對(duì)順風(fēng)向不存在太多阻塞，所以順風(fēng)向湍流強(qiáng)度Iu結(jié)果與平原區(qū)得出的規(guī)范值基本相同;橫風(fēng)向受到北側(cè)峽谷的一定阻塞，所以Iv相對(duì)減少，進(jìn)而Iv /Iu比規(guī)范要求略小;豎風(fēng)向由于峽谷具有一定深度，相比于平原地區(qū)豎向阻塞減小，所以Iw相對(duì)比較大，進(jìn)而Iw /Iu比規(guī)范大.

3.3 ? 湍流積分尺度

4 ? 結(jié) ? 論

本文對(duì)江底河大橋近深切峽谷橋址處風(fēng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、采樣和分析，得出以下結(jié)論：

1）深切峽谷對(duì)風(fēng)向有比較強(qiáng)的鎖定作用;并且對(duì)風(fēng)速有一定加速效果. 盡管如此，峽谷風(fēng)場與當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)存在著明顯的相關(guān)性.

2）深切峽谷中各個(gè)風(fēng)向的湍流強(qiáng)度相差較大.?湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)速變化使用反比例型函數(shù)擬合與實(shí)際結(jié)果吻合較好;在風(fēng)速超過8 m/s時(shí)湍流強(qiáng)度基本穩(wěn)定接近規(guī)范值的特性.

3）基于實(shí)測結(jié)果推測，在高風(fēng)速、風(fēng)向?yàn)轫槏{谷方向時(shí)，峽谷在順風(fēng)向不存在太多阻塞，所以順風(fēng)向湍流強(qiáng)度Iu結(jié)果與平原區(qū)得出的規(guī)范值基本相同;橫風(fēng)向與順風(fēng)向湍流強(qiáng)度的比值Iv /Iu比規(guī)范要求小約3%;豎向與順風(fēng)向湍流強(qiáng)度比值Iw /Iu比規(guī)范大15%左右.

4）順峽谷方向湍流積分尺度小于其他方向湍流積分尺度;湍流積分尺度大小隨風(fēng)速增大而增大.

5）高、低風(fēng)速下實(shí)測風(fēng)譜與Kaimal譜有很大的差別，而與von Karman譜吻合程度更好.

6）實(shí)測橫風(fēng)向風(fēng)譜在低頻區(qū)域和Panofsky譜吻合較好，在高頻區(qū)域明顯高于Panofsky譜;豎風(fēng)向風(fēng)譜明顯高于Panofsky譜. 實(shí)測橫風(fēng)向、豎風(fēng)向風(fēng)譜在低頻段與von Karman譜吻合很好，但在高頻段存在一些偏高和離散.

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