沈國輝，張帥光，余世策

浙江大學 結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州 310058

0 引 言

山區(qū)峽谷地形復雜，氣流經(jīng)過山體時會出現(xiàn)抬升、分離以及再附等復雜繞流現(xiàn)象。對于由群山和峽谷組成的復雜地形，氣流越過山峰時會發(fā)生分離，在峽谷內(nèi)形成尾流區(qū)；同時，由于周圍山峰的遮擋作用，氣流流動軌跡再次發(fā)生變化，產(chǎn)生山區(qū)獨有的越山風、峽谷風和遮擋效應等，其風場特性特別復雜?！豆窐蛄嚎癸L設計規(guī)范》[1]未對復雜山區(qū)地形進行地貌歸類，對于群山峽谷之中的橋梁結(jié)構(gòu)，僅建議根據(jù)實際情況憑借經(jīng)驗以風速修正系數(shù)進行修正，現(xiàn)有的風特性參數(shù)模型可能不適用于山區(qū)橋梁抗風設計[2]。若要準確分析山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的風荷載，必須明確橋址的風場特性，這是山區(qū)橋梁抗風設計的重要環(huán)節(jié)。

研究山區(qū)風場的方法主要有風洞試驗、現(xiàn)場實測以及數(shù)值模擬等方法。風洞試驗方面，Meroney等[3]與Teunissen等[4]驗證了地貌模型風洞試驗的準確性；Lubitz和White[5]利用風洞試驗研究了具有粗糙表面的三維橢圓體的表面風場，得出了山頂風速加速效應取決于來流方向的結(jié)論，歸納了山頂風速加速效應計算公式；Carpenter和Locke[6]通過風洞試驗研究了兩個山體組成的連續(xù)山體地形中一個山體坡度對另一個山體山頂風速的影響；沈國輝等[7]通過風洞試驗研究了某實際復雜山體的三維風場特征，并將風速加速比試驗結(jié)果與各國規(guī)范進行了對比。陳政清等[8]、龐加斌等[9]與劉黎陽等[10]分別以實際山區(qū)橋梁為研究背景，進行了橋址周圍地形模型風場特性風洞試驗，獲得了橋址平均風速和脈動風速的分布；張宏杰等[11]研究了埡口地貌的山丘坡度、谷口寬度等地貌要素對山谷和山脊風速分布規(guī)律的影響，得出了山谷與山脊風速修正系數(shù)計算公式?，F(xiàn)場實測方面，龐加斌等[12]用超聲風速儀實測了四渡河峽谷大橋處的脈動風速時程數(shù)據(jù)，分析了山區(qū)深切峽谷風的湍流特性；Hui等[13-14]監(jiān)測分析了27個月的Stonecutters大橋橋址脈動風速時程數(shù)據(jù)，并將平均風速與湍流風速特性參數(shù)與地貌模型風洞試驗結(jié)果進行對比。數(shù)值模擬方面，于艦涵等[15]利用FLUENT分析了橋位風速、風攻角及峽谷風效應。上述山區(qū)風場研究主要針對理想山體和深切大峽谷，而對復雜群山的風場特性研究并不多。

理想山體通常是基于數(shù)學模型的單個或多個典型山體，其風場測試情況比較理想，但與實際山體的風場存在較大差異。深切峽谷地形通常為高差較大的V型峽谷，在順峽谷方向會產(chǎn)生顯著的峽谷風，但越山風、遮擋效應并不明顯。本文研究的群山環(huán)境地形復雜多變，局部環(huán)境影響因素較多，可能同時存在越山風、峽谷風以及遮擋效應等。

本文以某山區(qū)人行斜拉橋橋址風場作為研究對象，通過地貌模型風洞試驗研究復雜群山情況下的平均風速和脈動風速分布特性，分析平均風速、風攻角、湍流強度、湍流積分尺度等隨風向角和測點位置的變化特性，獲得復雜山地環(huán)境下典型位置測點的脈動風速功率譜變化情況，研究結(jié)果可為復雜群山環(huán)境下的構(gòu)筑物抗風設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗模型

某待建人行斜拉橋位于海拔1050 m的群山峽谷中，其主梁軸線朝向為東偏南10°。橋址為復雜群山地貌（圖1為群山地貌三維模型），位于一條東向山谷內(nèi)的西側(cè)，與山谷最高處高差約為50 m。山谷兩側(cè)為連綿的山脈，其復雜地形對人行橋位置的風場產(chǎn)生很大影響，尤其是風從谷口吹入時，會形成山地特有的峽谷風和爬坡風效應。本文將風從谷口吹入時定義為順山谷方向或順風向；風向谷外吹出時，定義為背風向；風從山谷兩側(cè)吹來時，定義為橫風向。

圖1 三維地貌模型Fig.1 Three-dimensional geomorphic model

風洞試驗在浙江大學ZD-1邊界層風洞中進行。試驗段截面尺寸為4 m×3 m。依據(jù)風洞試驗段尺寸，地貌模型幾何縮尺比為1∶2 000，采用聚氯乙烯泡沫塑料根據(jù)5 m等高線形狀逐層堆積制作而成，模擬以人行橋址為圓心、直徑7 km范圍內(nèi)的山地地貌，如圖2所示。根據(jù)文獻[16-17]的研究，若地貌模型邊緣與風洞底板之間存在明顯高差，氣流會在模型邊緣發(fā)生流動阻塞和分離，這與實際流動情況不吻合。為使氣流平穩(wěn)流過地貌模型邊緣，參考文獻[16-17]的做法在模型邊緣設計了曲線過渡段，將邊緣下部“弧形掏空”，以最大限度減少氣流的分離與繞流。模型最大堵塞比約為6%，試驗環(huán)境溫度為22.3 ℃，大氣壓強為101.33 kPa，空氣密度為1.21 kg/m3。

圖2 直徑7 km范圍的地貌模型Fig.2 Terrain model with a diameter of 7 km

1.2 試驗工況

采用TFI眼鏡蛇三維湍流風速測量儀測試風速[18]（4孔壓力探頭，采樣頻率1250 Hz，采樣時間60 s），如圖3所示。在地貌模型前方與上方安裝風速探頭以監(jiān)控風場的風速。分別測試人行橋5個位置的風參數(shù)，測點1與測點2位于橋塔位置不同高度；測點5位于人行橋懸臂最遠端，其上每隔20 m高度依次布置測點4與測點3。利用可旋轉(zhuǎn)定量角度的剛性底盤固定TFI眼鏡蛇的探頭下部。測試前，利用激光測量儀校準探頭測試角度，以確保測試風向的準確性。測點布置及測試儀器安裝如圖4所示。

圖3 TFI測試儀器Fig.3 TFI test instrument

圖4 測點和測試儀器Fig.4 Measuring points and testing equipment

由于橋址地形復雜，橋址風特性對來流方向比較敏感。為考察順風向及其他方向群山亂流對橋址風特性的影響，設定試驗風向角β為0°～360°，以正南方向為0°風向角，按逆時針方向間隔22.5°遞增各風向角；同時在順風向上局部加密，增加與人行橋主梁軸線方向平行的260.0°風向角，共17個風向角，如圖5所示。

圖5 風洞試驗風向角Fig.5 Wind azimuths for wind tunnel test

1.3 風場模擬

采用尖劈隔柵和粗糙元模擬縮尺比1∶2000的B類地貌風場，模擬風場的平均風速和湍流強度剖面如圖6所示，與規(guī)范要求值比較接近。人行橋主梁水平面高度處的歸一化脈動風速功率譜如圖7所示，與Von-Karman譜非常接近。根據(jù)Taylor假設方法，計算模型0.5 m高度處的湍流積分尺度為0.28 m，與常規(guī)風洞尺度的湍流積分尺度基本一致。由上可知，試驗模擬風場符合規(guī)范[19]要求。

圖6 平均風速和湍流強度剖面Fig.6 Profiles of mean velocity and turbulent intensity

圖7 歸一化脈動風速功率譜Fig.7 Normalized power spectrum density of velocity

2 試驗結(jié)果分析

2.1 平均風速

為研究山地地形對平均風速的影響，定義平均風速加速比S為：

式中，Ux為各測點位置的順風向平均風速，UG為B類風場梯度風高度處的平均風速。

圖8為各測點平均風速加速比S隨風向角β的變化情況。由圖可知：1）順風向時（β為202.5°、225.0°、247.5°、260.0°、270.0°和292.5°），S較大，說明該方向的氣流受地形阻擋較小，當風向順人行橋主梁軸線方向（β= 260°）時，各測點位置S均達到最大，其中測點3高度處最大，為0.87； 2）在其他風向角（橫風向和背風向）下，包括與人行橋迎風側(cè)最接近的風向（β= 0°、180.0°），S較小，約為0.22，說明橋址周圍群山的遮擋效應使山谷的平均風速顯著降低；3）相較于其他遮擋效應明顯的非迎風側(cè)來流，在60.0°風向角附近，群山的遮擋效應較小，橋址處平均風速略微增大，各測點的平均風速加速比S出現(xiàn)局部峰值。

圖8 各測點的平均風速加速比Fig.8 Speed-up ratio of measuring points

各測點的風攻角α隨風向角β的變化情況如圖9所示，豎直向上為正攻角。由圖可知：1）順風向時（β為202.5°、225.0°、247.5°、260.0°、270.0°和292.5°），由于順山谷方向“爬坡效應”的存在，各測點位置均出現(xiàn)非常大的正攻角，最大正攻角達到+35.3°，說明存在非常顯著的上升氣流。2）在其他風向角下，由于周圍山峰的遮擋效應和地形的影響，各測點位置均會出現(xiàn)較多的負攻角和一定數(shù)量的正攻角。3）出現(xiàn)負攻角的原因是測點處于群山背風面，風翻越群山后形成向下的流動所致，出現(xiàn)部分正攻角的主要為2號和5號測點，這些測點貼近地形表面，容易受到亂流作用；同時，由于平均風速很小，在相同風向角下會出現(xiàn)部分測點負攻角、部分測點正攻角的情況。

圖9 各測點的風攻角Fig.9 Wind attack angle of measuring point

需要注意的是，正攻角會產(chǎn)生豎直向上的風荷載，與橋梁結(jié)構(gòu)自身重量相抵消，若其數(shù)值超過橋梁自重，可能會導致斜拉橋失去平衡，因此建議該斜拉橋增加下攬風索。同時，在橫風向來流情況下，主梁水平面高度處出現(xiàn)較大的負攻角，與通常認為的–3°～＋3°風攻角有很大差異，主要是由于山谷地形導致，但在出現(xiàn)較大負攻角的風向角范圍內(nèi)平均風速較小，對橋梁結(jié)構(gòu)設計的影響并不大。

平均風速加速比與風攻角是山區(qū)橋梁重要的風特性參數(shù)。圖10給出了典型位置（即測點3）的平均風速加速比S與風攻角α的相關性。由圖可知：1）風向角β對平均風速加速比與風攻角的影響均較大。2）高風速主要集中在風攻角為正值的區(qū)域，當風向角β= 260.0°時，S達到最大的0.87，此時α為22.84°。3）當來流方向與橋主梁軸線方向夾角較大時，風攻角總體為負值，在個別風向角下甚至達到–21.22°；但此時平均風速較小，對橋梁結(jié)構(gòu)抗風性能不起控制作用。

圖10 測點3的平均風速加速比與風攻角Fig.10 speed-up ratio and attack angle of point 3

當來流方向在順山谷方向（260.0°）附近時，前方山體遮擋效應較小，此時平均風速及對應的加速比S較大；同時，由于山谷地勢有一定坡度，爬坡效應的存在會使風速產(chǎn)生較為明顯的豎直向上分量，表現(xiàn)出較大的風攻角。當來流方向與山谷方向或橋主梁軸線方向夾角較大時，遮擋效應使平均風速減小；同時，風越過山峰會使測點3位置的風速產(chǎn)生豎直向下分量。因此，在全風向角范圍內(nèi)，平均風速加速比S 與風攻角α表現(xiàn)出一定的相關性。

2.2 湍流強度

試驗得到各測點的縱向、橫向和豎向湍流強度Iu、Iv和Iw隨風向角β的變化情況如圖11所示。由圖可知：1）由于山區(qū)地形的復雜性，橋址湍流強度隨風向角的變化顯著； 2）順風向時（β為202.5°、225.0°、247.5°、260.0°、270.0°和292.5°），湍流強度顯著小于其他風向，在260.0°風向角時，縱向湍流強度和橫向湍流強度達到最小，約10%； 3）在其他風向角下（如0°～180.0°、315.0°、337.5°），各測點湍流強度均大于30%； 4）湍流強度在垂直方向上總體隨高度上升而降低，與平坦地區(qū)類似，貼近山體的測點1和4的湍流強度總體小于在山體上方較高處的測點2和5。

圖11 各測點三個方向的湍流強度Fig.11 Turbulence intensity in three directions of measuring points

2.3 湍流積分尺度

湍流積分尺度是脈動風中湍流渦旋平均尺寸的量度。當脈動渦旋尺寸將橋梁結(jié)構(gòu)包含在內(nèi)時，脈動風在橋梁各個部位引起的動荷載會相互疊加；當渦旋尺寸不足以包含整個結(jié)構(gòu)時，不同位置上的脈動風是不相關的，從統(tǒng)計意義上講，其對結(jié)構(gòu)的作用會互相抵消。在不同地形和不同高度上，湍流積分尺度有所不同，但多點同步測量很難實現(xiàn)。根據(jù)Taylor假設[20]，采用自相關函數(shù)代替空間相關函數(shù)，湍流積分尺度按照下式計算：

式中，Ru(τ)為脈動風速u的自相關函數(shù)，為脈動風速u的湍流積分尺度，U為平均風速，為脈動風速u的均方差。Flay等[21]認為積分上限取為Ru(τ)=0.05最佳。

圖12給出了各測點位置的湍流積分尺度。由圖可知：1）受周圍山地地形影響，隨風向角不同，相同位置的湍流積分尺度有所不同； 2）當風向角β為260.0°和270.0°時，湍流積分尺度較大，大致呈現(xiàn)隨高度上升而增大的規(guī)律，換算到實際值為150～300 m之間；3）橫風向及背風向時，受周圍山地地形影響，湍流積分尺度值均很小； 4）測點3距離周圍山體最遠，受局部地形影響，背風向時湍流積分尺度略有增大。

圖12 各測點的積分尺度Fig.12 Turbulence integral scales of measuring points

2.4 脈動風速功率譜

脈動風速功率譜反映了湍流中各頻率成分的渦旋所擁有能量的大小。風向角和離地面高度不同，脈動風速功率譜會有不同的變化特征。由于橋址周圍山體的遮擋效應，氣流分離形成的渦旋會影響脈動風速的頻域分布特征，可能會對橋梁結(jié)構(gòu)的風振響應造成不利影響；而這種影響會隨著風向角和離地面高度的不同發(fā)生變化。圖13給出了風向角260.0°時同一垂直平面內(nèi)不同高度處的歸一化脈動風速功率譜，其中測點1、3分別與測點2、5處于同一垂直平面內(nèi)的不同高度，由圖可知：1）山谷迎風面來流時，各測點功率譜較來流功率譜（圖7）發(fā)生明顯變化，其高頻段能量明顯增大，單峰特征降低，頻帶變寬；2）測點3高頻段能量低于測點5，測點1低于測點2，說明在豎直高度方向，越貼近山地，小尺度旋渦越多，渦旋發(fā)展越劇烈； 3）測點1和2的功率譜出現(xiàn)些許凹陷，其原因可能是渦旋處于過渡階段，渦旋能量增長，與湍流能力相比占有一定比例，所以功率譜出現(xiàn)類似2個峰值的現(xiàn)象。

圖13 同一垂直平面內(nèi)的歸一化脈動風速功率譜Fig.13 Wind speed spectrum in vertical direction

圖14給出了測點1、3、5在不同風向角下的歸一化脈動風速功率譜。由圖可知：1）三個測點的功率譜非常接近；2）風向角β= 260.0°時（來流順人行橋主梁軸線方向），高頻段能量明顯增大，單峰特征降低，頻帶變寬；3）隨著風向角增大，受山體遮擋，越山風使風場亂流增多，功率譜逐漸向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻段功率譜能量主要由山地渦旋貢獻。

圖14 各測點不同風向角下的歸一化脈動風速功率譜Fig.14 Wind speed spectrum in horizontal direction

3 結(jié) 論

本文分析了復雜群山情況下某橋址的平均風速與脈動風速特性，得到以下結(jié)論：

1）當橋址位于山谷內(nèi)時，各個風向角（包括風向角260.0°）的平均風速加速比均小于1.0，說明群山環(huán)境與單山的峽谷風效應不同，平均風速均小于梯度風高度的風速；在順風向下，各測點位置平均風速加速比達到最大，“爬坡效應”使順山谷方向來流產(chǎn)生較大正攻角，最大正攻角可達+35.3°；在其他風向角下，周圍山峰的遮擋效應使平均風速減小。

2）順山谷方向來流時，縱向湍流強度和橫向湍流強度達到最小，約為10%；在其他風向下，兩側(cè)山體邊界層對山谷內(nèi)風場產(chǎn)生強烈的氣流擾動，導致湍流強度增大。

3）順山谷方向來流時，湍流積分尺度較大，隨高度上升呈增大趨勢，其他方向來流時湍流積分尺度均較小。

4）風向角β= 260.0°時（來流順人行橋主梁軸線方向），各測點位置功率譜較來流功率譜發(fā)生明顯變化，其高頻段能量明顯增高，單峰特征降低，頻帶變寬；當山谷逐漸受到山體遮擋，越山風使風場亂流增多，脈動功率譜逐漸向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻段功率譜能量主要由山地渦旋貢獻。