劉 明，廖海黎，李明水，馬存明

(西南交通大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，成都 610031)

風(fēng)特性的現(xiàn)場觀測是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的主要研究方法之一，尤其是強(qiáng)風(fēng)期間在實(shí)橋上觀測橋址區(qū)的風(fēng)特性以及橋梁風(fēng)致振動(dòng)的特征和主要參數(shù)。對于沿海臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，大型結(jié)構(gòu)受強(qiáng)風(fēng)影響更為突出和頻繁，風(fēng)荷載成為作用于結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一。為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算出作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)特性，需要對該地區(qū)進(jìn)行大量風(fēng)實(shí)測，然后對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文利用西堠門大橋中橋址處風(fēng)速儀采集的數(shù)據(jù)，對橋址區(qū)風(fēng)場特性進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，為該橋的抗風(fēng)安全性評估提供了依據(jù)。同時(shí)可為其他大型結(jié)構(gòu)，尤其是浙江省其他跨海大橋的抗風(fēng)提供參考。

1 工程概述

風(fēng)場實(shí)測地點(diǎn)在浙江舟山西堠門大橋橋面上。由于該橋所在地區(qū)天氣氣候復(fù)雜，災(zāi)害性天氣特別是臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)天氣出現(xiàn)的頻率較內(nèi)陸地區(qū)明顯增多，因此該橋的抗風(fēng)特性不僅成為該橋施工期和運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全性的控制因素，也成為其建設(shè)進(jìn)度的重要影響因素。

脈動(dòng)風(fēng)記錄采用美國Young公司生產(chǎn)的81000型三維超聲風(fēng)速儀。該風(fēng)速儀能適應(yīng)各種惡劣氣候，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速風(fēng)向的精確測量。超聲風(fēng)速儀固定在距橋面約3 m高處，距離海平面約68 m(見圖1)。

圖1 西堠門大橋橋面風(fēng)速儀布置(單位:m)

2 脈動(dòng)風(fēng)特性計(jì)算

2.1 平均風(fēng)速和平均方位角

81000型風(fēng)速儀輸出的每組數(shù)據(jù)包含4個(gè)數(shù)，分別為風(fēng)速U，方位角β，攻角α，和大氣溫度。方位角β為來流與北向順時(shí)針的夾角。取10 min作為樣本的平均時(shí)段，計(jì)算每個(gè)樣本的U、ˉβ、ˉα，此即為每個(gè)樣本的平均風(fēng)速 U，和平均風(fēng)向(ˉβ，ˉα)，圖 2、圖 3 分別為一次大風(fēng)過程中，4個(gè)風(fēng)速儀連續(xù)觀測的風(fēng)特性實(shí)測結(jié)果。從中可以看出，四個(gè)風(fēng)速儀輸出的平均風(fēng)速相接近。整個(gè)持續(xù)階段內(nèi)平均風(fēng)速為9.83 m/s，其中最大10 min平均風(fēng)速為19.4 m/s。

圖2 10 min時(shí)距的平均風(fēng)速

圖3 10 min時(shí)距的平均風(fēng)向角

2.2 紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子

紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子是反映大型結(jié)構(gòu)物風(fēng)致振動(dòng)的兩個(gè)重要參數(shù)。紊流強(qiáng)度表示紊流中脈動(dòng)量與平均量的比值，作為確定結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù)，定義為風(fēng)的脈動(dòng)分量平均變化幅度(均方差)與平均風(fēng)速之比。根據(jù)我國規(guī)范，紊流度定義為10 min時(shí)距脈動(dòng)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)方差與平均風(fēng)速的比值，如式(1)

其中σi分別表示脈動(dòng)風(fēng)速三個(gè)方向 u(t)，v(t)和 w(t)的均方根。日本建筑學(xué)會推薦估算順風(fēng)向紊流強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式

4個(gè)風(fēng)速儀平均 Iu、Iv和 Iw的平均值分別為 0.150、0.114 和 0.050。Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。式(2)中α為冪指數(shù)，根據(jù)《舟山大陸連島工程氣象觀測、風(fēng)參數(shù)研究專題報(bào)告》，取α=0.16;橋面離水面高度按平均潮位計(jì)算z=68 m，zG表示梯度風(fēng)高度。由式(2)可得Iu=0.147，與實(shí)測Iu平均值0.15相近。圖4為平均風(fēng)速與紊流強(qiáng)度關(guān)系曲線，由圖可見，隨著平均風(fēng)速的增大，紊流強(qiáng)度有降低的趨勢。

風(fēng)速的脈動(dòng)強(qiáng)度也可用陣風(fēng)因子表示。陣風(fēng)因子通常定義為陣風(fēng)持續(xù)期tg內(nèi)平均風(fēng)速的最大值與10 min時(shí)距的平均風(fēng)速之比

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中定義陣風(fēng)持續(xù)期為2～3 s，本文取tg=3 s，一般說tg越大，對應(yīng)的陣風(fēng)因子越小。當(dāng)tg=10 min，Gu=1。

一些學(xué)者對順風(fēng)向紊流強(qiáng)度與陣風(fēng)系數(shù)以及陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系進(jìn)行了一些研究，Choi在實(shí)測風(fēng)速基礎(chǔ)上提出了如下經(jīng)驗(yàn)公式

4個(gè)風(fēng)速儀平均 Gu、Gv和 Gw的平均值分別為1.32、0.27和0.10。圖5為陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速之間的關(guān)系，由圖可見，隨著風(fēng)速的增加，陣風(fēng)因子逐漸減小。圖6為陣風(fēng)因子與紊流強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。本文采用的樣本時(shí)間為10 min，tg=3 s。因此，將式(4)修正為

圖4 順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎向紊流強(qiáng)度與10 min平均風(fēng)速關(guān)系

圖5 順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎向陣風(fēng)因子與10 min平均風(fēng)速關(guān)系曲線

圖6 紊流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子關(guān)系

2.3 摩阻速度

摩阻速度表征了由于地面粗糙效應(yīng)而引起的水平平均動(dòng)量在垂直方向的損失，有時(shí)又稱為剪切速度，其平方與Reynolds應(yīng)力成正比。

式(6)在應(yīng)用于實(shí)測數(shù)據(jù)分析時(shí)往往容易受到不穩(wěn)定因素干擾，Tieleman和Mullins推薦采用平方和開方計(jì)算，即

對接近地面的實(shí)測數(shù)據(jù)而言，由于橫向分量-v′w′很小，兩式計(jì)算結(jié)果幾乎沒有差別。在處理高度較大的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)，由于橫向分量-′的波動(dòng)較大，式(7)避免了兩 Reynolds應(yīng)力分量之和出現(xiàn)負(fù)值的可能。因此。本文采用式(7)計(jì)算摩阻速度。

如果大氣邊界層是穩(wěn)定的，摩阻速度主要與地面粗糙程度和平均風(fēng)速大小有關(guān)，此時(shí)它與縱向脈動(dòng)速度的均方差也存在較好的比例關(guān)系。如果大氣湍流脈動(dòng)速度的功率譜密度函數(shù)滿足Kaimal譜，那么摩阻速度和縱向脈動(dòng)速度均方差之間的關(guān)系為:

圖7為平均風(fēng)速與摩阻速度平方值的相關(guān)曲線，由圖可見，隨著平均風(fēng)速的升高，摩阻速度平方值有增加趨勢。圖8為縱向脈動(dòng)速度方差與摩阻速度平方值之間的相關(guān)曲線，由圖可見，兩者間近似線性關(guān)系，用線性擬合可得到關(guān)系式(9)，擬合系數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果不很一致。對每個(gè)具體時(shí)段而言，兩者的關(guān)系很不穩(wěn)定，因?yàn)閷?shí)際大氣邊界層湍流很難滿足中性穩(wěn)定層的假設(shè)。

圖7 平均風(fēng)速與摩阻速度平方值的相關(guān)曲線

圖8 縱向脈動(dòng)速度方差與摩阻速度平方值的相關(guān)曲線

2.4 紊流功率譜

紊流功率譜密度函數(shù)是脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的主要數(shù)字特征，能夠準(zhǔn)確反映出脈動(dòng)風(fēng)中個(gè)頻率成分所作貢獻(xiàn)的大小。Davenport曾根據(jù)世界上不同地點(diǎn)、不同高度處測得的強(qiáng)風(fēng)記錄擬合得到水平脈動(dòng)風(fēng)速譜，后來很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，目前我國橋梁抗風(fēng)規(guī)范采用的是1972年Kaimal提出的表達(dá)式。

式中，Su(n)、Sw(n)為順風(fēng)向功率譜密度函數(shù)，n為脈動(dòng)風(fēng)頻率;f=nz/U為莫寧坐標(biāo)。

3 結(jié)論

本文利用安裝在西堠門大橋橋面4個(gè)3-D超聲風(fēng)速儀，對西堠門大橋橋址處風(fēng)場進(jìn)行了長時(shí)間的連續(xù)觀測，獲得了長時(shí)段的穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)樣本。對風(fēng)特性各種參數(shù)及其之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，為進(jìn)一步研究沿海地區(qū)風(fēng)特性提供了有益的參考。

1)實(shí)測的脈動(dòng)風(fēng)紊流強(qiáng)度平均值分別為:Iu=0.15，Iv=0.114，Iw=0.05，三者的比值平均為 Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。與我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》規(guī)定有一定差別，可能是因?yàn)楸疚慕Y(jié)果為一次大風(fēng)實(shí)測結(jié)果，若選取不同時(shí)段實(shí)測數(shù)據(jù)，其分析結(jié)果可能更接近規(guī)范值。

2)通過紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子與平均風(fēng)速變化曲線可見，隨著平均風(fēng)速的升高，紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子有下降的趨勢。修正后的經(jīng)驗(yàn)公式能夠很好地描述陣風(fēng)因子與紊流強(qiáng)度之間的關(guān)系。

3)隨著平均風(fēng)速的升高，摩阻速度平方值有增加趨勢?？v向脈動(dòng)風(fēng)速方差和摩阻速度平方間存在近似的線性關(guān)系=-0.18+2.53，與理論值6.0不很一致，表明摩阻速度容易受到大氣湍流不穩(wěn)定因素影響。

4)實(shí)測湍流功率譜曲線縱向分量接近于 Kaimal譜曲線，豎直分量接近于Panofsky譜曲線。實(shí)測譜與Panofsky曲線吻合程度較好，而縱向譜與 Kaimal譜吻合不是很好，實(shí)測湍流功率譜曲線在低頻段比理論曲線略高，而在高頻段的能量略低。

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