金 磊,王修勇,廖建宏,陳政清
(1.湖南科技大學土木工程學院,湘潭411201;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院,長沙410008;3.湖南大學風工程研究中心,長沙410082)
以矮寨特大懸索橋為工程背景,介紹一種結(jié)合地形設計的山區(qū)峽谷高空風環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng),利用它對橋址處的風環(huán)境進行長期監(jiān)測,獲得了橋址處峽谷地形風環(huán)境的相關參數(shù)。
矮寨大橋是吉茶高速公路上一座特大懸索橋,主跨1176 m,橋位屬于典型的峽谷地形,平均坡角達40°,谷深330 m,橋梁結(jié)構(gòu)柔性大,抗風要求高[2].為確保大橋在風荷載作用下的靜動力性能以及為橋梁的抗風設計提供計算資料,橋位處的風場特性觀測尤為重要.
為了觀測橋面水平的風特征,設立了一個新型懸索吊掛式風環(huán)境觀測系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)由兩個EZD-IV型梯度測風站組成,其中一套為梯度峽谷測風站,測量橋面水平線附近的3個設定點的風向風速,該測風站在矮寨大橋上游側(cè)距橋軸60 m處架設一根長達1300 m的鋼絲繩,兩端錨固點高出橋面標高80~100 m,分別在鋼絲繩跨中布置1號、2號風速儀,安裝在懸掛鋼管兩端,高差為10 m,四分點處布置3號風速儀,系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖1所示.此外在峽谷底部距離地面約16 m的房屋上設立單測站,布置4號風速儀,測定一個點的風速風向.
系統(tǒng)設計時,在主鋼絲繩上每隔5~6 m布置一個滑輪,滑輪下布置一根直徑為8 mm鋼絲繩,信號線、避雷線均固定在小鋼絲繩上,當風速儀需要維修時,可以通過牽引小鋼絲繩將裝置拖到岸側(cè).為了避免大風時懸吊鋼管發(fā)生大幅擺動,懸掛裝置均采用上下長度相等圓管,通過在下部鋼管內(nèi)配重使其保持豎直,而且在整個外站系統(tǒng)中架設了太陽能電板和蓄電池,給測風系統(tǒng)供電[2].
圖1 橋址風環(huán)境觀測系統(tǒng)布置
各風速儀的信號通過信號線連接到控制箱內(nèi)存儲單元,存儲單元將數(shù)據(jù)實時自動存儲,采用專用IP地址并通過GPRS無線遠程傳輸?shù)綄嶒炇业挠嬎銠C上,監(jiān)測系統(tǒng)觀測界面如圖2所示,傳輸?shù)接嬎銠C終端的數(shù)據(jù)按每小時一個文件保存,以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)了實時遠程控制采樣高[3].
圖2 遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測界面
本文參考文獻[4]對2009年1月至2009年12月數(shù)據(jù)進行初步分析.實測得到的橋位處的各月瞬時最大風速、10 min平均最大風速如圖3、圖4所示.極大風速分別為為20.3 m/s、20.0 m/s、21.2 m/s、14.1 m/s;1~4號風速儀10 min平均最大風速分別為為 9.013 m/s、8.918 m/s、9.514 m/s、6.283 m/s.極大風速主要出現(xiàn)在8月,10 min最大平均風速主要出現(xiàn)在10月份.
風玫瑰圖也叫風向頻率玫瑰圖,它是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計的各方風向和風速的百分數(shù)值,并按一定比例繪制.下面以4號風速儀的計算結(jié)果為例,繪制圖5所示的2009年單測站風向玫瑰圖.
很明顯風向集中的方位在N至NNE之間,其次在SSW至SW之間.全年NNE方向的風向頻率達到了16.6%,SSW方向的達到了12.8%.從原始風速風向數(shù)據(jù)看,在每個月最大風速對應的風向東北、西南兩個方位都有出現(xiàn),最大風速風向主要集中于風向頻率高的NNE,SSW方位.這個方向大致與峽谷走向一致,即與橋軸線垂直方向一致.由此可見矮寨大橋橋址特殊的地形對風向影響很大,峽谷走向基本可以確定風向頻率最大的方向.
地面粗糙系數(shù)與各個風速儀處離地面高度有關,根據(jù)索兩端地錨處的標高及觀測系統(tǒng)設計時主索垂度約100 m,即可確定各風速儀距峽谷底距離.各風速儀豎向高度和10 min平均最大風速見表1.
表1 各測站豎向高度及10 min平均最大風速
地面粗糙系數(shù)的求解根據(jù)各個風速儀的10 min平均風速來確定,根據(jù)2008年度觀測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù),選擇了四個風速儀平均風速均大于0.5 m/s、0.8 m/s、1 m/s三種情況數(shù)據(jù)分別擬合 α值.風速沿豎直高度方向分布計算公式[5]:
式中:Z2為地面以上高度Z2處的風速;
Z1為地面以上高度處的風速;
α為地表粗糙度系數(shù).
由(1)式得α的反算式:
圖5 風向頻率玫瑰圖
矮寨懸索橋橋址風環(huán)境觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析
α值三種擬合結(jié)果分別為0.2208、0.1894、0.1855,擬合圖如圖6所示.由擬合結(jié)果初步可知,矮寨大橋橋址處地面粗糙度大概在0.18~0.22之間.
圖6 地面粗糙系數(shù)擬合圖
根據(jù)規(guī)范[6],吉首地區(qū)地面粗糙度類別為B類場地,值取值為0.16,明顯偏小于根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合得出的范圍.由此可見,矮寨大橋橋址為非標準地貌,對于山區(qū)峽谷這類場地,風特征復雜,不再符合一般規(guī)范.
(1)提出了一種利用高空風環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng)進行現(xiàn)場風觀測的方法,其特點是不受現(xiàn)場地形限制,能測量橋面水平的風特征,采用無線遠程數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)濟實用,對類似風環(huán)境觀測具有一定的參考價值.
(2)通過對實測數(shù)分析,基本掌握了橋址風環(huán)境情況,橋面處瞬時最大風速達21.2 m/s,10 min平均分速最大為9.5 m/s,該風速遠低于橋梁設計檢驗風速51.5 m/s;橋址處風向主要橋軸線垂直方向一致.這對大橋抗風設計和施工具有很大指導意義.
(3)根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合顯示,橋址處地面粗糙系數(shù)范圍α=0.18~0.22,介于B類和C類場地之間,不屬于規(guī)范所指定的任何地表類別.
[1]張 玥,胡兆同,劉新建.西部山區(qū)地形的斜拉橋風場特性研究[J].武漢理工大學學報,2008,30(12):154-159.
[2]孫洪鑫,王修勇,陳政清,等.山區(qū)峽谷高空風環(huán)境懸索吊掛式觀測系統(tǒng)[C].第十四屆全國結(jié)構(gòu)風工程學術會議論文集,2009.
[3]陳政清,李春光,張志田,廖建宏.山區(qū)峽谷地帶大跨度橋梁風場特性試驗[J].實驗流體力學,2008,22(3):54-60.
[4]宋麗莉,吳戰(zhàn)平,秦 鵬,等.復雜山地近地層大風特性分析[C].氣象學報,2009,67(3):452-460.
[5]陳政清.橋梁風工程[M].北京:人民交通出版社,2005.
[6]中交公路規(guī)劃設計院.JTG/TD60-01-2004.公路橋梁抗風設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.