辛亞兵，邵旭東，劉志文?，賈亞光，丁 冬

(1. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 現(xiàn)代投資股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052)

?

高墩多塔斜拉橋沿橋軸向風(fēng)特性實(shí)測(cè)分析

辛亞兵1,2，邵旭東1，劉志文1?，賈亞光3，丁 冬1

(1. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 現(xiàn)代投資股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052)

為研究山區(qū)地形高墩多塔斜拉橋沿橋軸向風(fēng)特性變化情況，在橋面沿橋軸向安裝兩個(gè)三維風(fēng)速儀和兩個(gè)二維風(fēng)速儀，利用小波法提取實(shí)測(cè)非平穩(wěn)風(fēng)時(shí)變平均風(fēng)速，對(duì)沿橋軸向風(fēng)樣本進(jìn)行平均風(fēng)特性和紊流風(fēng)特性分析.結(jié)果表明：沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角變化趨勢(shì)基本保持一致；沿橋軸向湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、積分尺度等紊流參數(shù)變化趨勢(shì)基本保持一致，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度均值較規(guī)范推薦值偏高；沿橋軸向?qū)崪y(cè)風(fēng)樣本順風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Simiu譜值偏低，在高頻段順風(fēng)向功率譜密度與Simiu譜吻合較好；豎風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Panofsky譜值偏低；在高頻段豎風(fēng)向功率譜密度與Panofsky譜吻合較差.

山區(qū)地形；小波分析；非平穩(wěn)風(fēng)速模型；時(shí)變平均風(fēng)速；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

隨著中國(guó)國(guó)家中西部高速公路、鐵路建設(shè)加速，出現(xiàn)了越來(lái)越多的山區(qū)高墩大跨橋梁，典型例子有貴州巴陵河大橋(懸索橋，主跨1 088 m，橋面至谷底水面370 m)、北盤江大橋(鋼管混凝土拱橋，主跨236 m，橋面至谷底水面405 m)、湖北四渡河大橋(懸索橋，主跨900 m，橋面至谷底560 m)、湖南矮寨特大橋(懸索橋，主跨1 176 m，橋面至谷底355 m)、赤石特大橋(多塔斜拉橋，主跨380 m，橋面至谷底185.7 m)等.高墩大跨橋梁施工期結(jié)構(gòu)自振頻率低，對(duì)風(fēng)作用敏感，因此在施工期抗風(fēng)安全研究顯得十分重要.山區(qū)地形橋位風(fēng)特性復(fù)雜，具有紊流度大、風(fēng)攻角大、風(fēng)速和風(fēng)向分布復(fù)雜等特點(diǎn)[1-2]，因此山區(qū)高墩大跨橋梁橋位風(fēng)特性應(yīng)進(jìn)行深入研究.

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是風(fēng)特性研究的主要方法之一.國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)實(shí)測(cè)研究相對(duì)較早，加拿大、英國(guó)、挪威、美國(guó)、日本等國(guó)家都開展了長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)觀測(cè)工作，建立了風(fēng)特性基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)[3-6].隨著結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的推進(jìn)，逐漸對(duì)橋梁橋位風(fēng)特性開展了一些實(shí)測(cè)研究工作[7-8].國(guó)內(nèi)在結(jié)構(gòu)風(fēng)觀測(cè)方面，李秋勝[9-10]等進(jìn)行了相關(guān)研究.國(guó)內(nèi)大跨度橋梁風(fēng)觀測(cè)主要集中在2010年以后，目前沿海地區(qū)大跨度橋梁臺(tái)風(fēng)觀測(cè)取得一定成果[11-13]，這些風(fēng)觀測(cè)均在橋面或橋塔安裝單個(gè)風(fēng)速儀追蹤臺(tái)風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)，從而研究橋址區(qū)臺(tái)風(fēng)特性及分布規(guī)律.在山區(qū)地形高墩大跨橋梁風(fēng)實(shí)測(cè)方面，張玥等[14]在山西禹門口黃河橋橋位處設(shè)置3處觀測(cè)塔進(jìn)行風(fēng)觀測(cè)，研究表明山區(qū)強(qiáng)風(fēng)對(duì)成橋狀態(tài)穩(wěn)定不利.朱樂(lè)東等[15]在壩陵河大橋橋址設(shè)置1座風(fēng)速觀測(cè)塔，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和附近氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了橋址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速.龐加斌等[16]在四渡河峽谷大橋橋塔位置設(shè)置觀測(cè)塔，并在觀測(cè)塔沿高度安裝4個(gè)風(fēng)速儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)觀測(cè)，研究表明山區(qū)地形湍流特性較平原地區(qū)明顯不同.金磊等[17]針對(duì)矮寨大橋橋位地形設(shè)計(jì)一套懸索吊掛觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究橋址處峽谷風(fēng)特性.綜上所述，大部分橋梁風(fēng)觀測(cè)設(shè)置單個(gè)風(fēng)速儀或沿橋墩不同高速設(shè)置多個(gè)風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)觀測(cè)，很少在橋面沿橋軸線設(shè)置多個(gè)風(fēng)速儀進(jìn)行實(shí)測(cè)分析.近年來(lái)有學(xué)者開始關(guān)注山區(qū)非平穩(wěn)風(fēng)特性研究，如黃國(guó)慶等[18]對(duì)云南普立大橋橋位實(shí)測(cè)非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)樣本確定時(shí)變平均風(fēng)并估計(jì)脈動(dòng)風(fēng)譜，分析了橋梁靜風(fēng)響應(yīng)和抖振響應(yīng)，研究結(jié)果表明非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)采用傳統(tǒng)分析方法會(huì)低估橋梁靜風(fēng)響應(yīng)，采用規(guī)范風(fēng)譜計(jì)算抖振響應(yīng)偏于不安全.為研究在建的赤石特大橋風(fēng)特性，在該橋上建立風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)測(cè)非平穩(wěn)風(fēng)特性進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開展復(fù)雜地形高墩大跨橋梁風(fēng)致響應(yīng)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 工程背景

赤石特大橋是主跨為165 m+3×380 m+165 m的四塔五跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面斜拉橋，主塔為雙曲線索塔“小蠻腰”設(shè)計(jì)，位于峽谷中間6號(hào)索塔、7號(hào)索塔高度大，分別為274.13 m和286.63 m；各塔均布置23對(duì)索，最高主塔橋面至承臺(tái)頂高185.7 m.圖1為赤石特大橋施工照片.橋址為山區(qū)峽谷地形，峽谷呈東北-西南走向，橋位北方為谷口，南方為開闊口，東西兩邊為陡峭山體，最大相對(duì)高差約210 m.根據(jù)氣象資料該地區(qū)受季風(fēng)影響，瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)8級(jí)以上的大風(fēng)每年發(fā)生2～3次.

圖1 赤石特大橋施工照片F(xiàn)ig.1 Chishi Bridge under construction

1.2 風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng)

赤石特大橋風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng)由風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理終端組成.圖2為赤石特大橋風(fēng)速儀布置情況.在位于峽谷中間 6,7號(hào)主塔塔頂分別布置一個(gè)二維風(fēng)速儀，風(fēng)速儀距離塔頂面高度為3 m.在6,7號(hào)主塔兩側(cè)橋面分別布置一個(gè)三維風(fēng)速儀和一個(gè)二維超聲風(fēng)速儀，可實(shí)測(cè)到沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)(按測(cè)點(diǎn)6-1,測(cè)點(diǎn)6-3,測(cè)點(diǎn)7-1,測(cè)點(diǎn)7-3的順序，以下均采用此順序)的風(fēng)速、風(fēng)向，風(fēng)速儀距離橋面高度為6 m，橋面風(fēng)速儀隨施工進(jìn)度調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置.二維風(fēng)速儀采用美國(guó)Young05103型風(fēng)速儀，采樣頻率為1 Hz，風(fēng)向角規(guī)定為：0°方向?qū)?yīng)的是北風(fēng)(即風(fēng)從正北吹向正南)；風(fēng)偏角以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正(范圍為0°～360°).三維超聲風(fēng)速儀采用美國(guó)Young81000型風(fēng)速儀，采樣頻率為10 Hz，風(fēng)向角規(guī)定為：0°方向?qū)?yīng)的風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)(即風(fēng)從正北吹向正南)；風(fēng)偏角以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正(范圍為0°～360°).數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)Campbell公司的CR1000數(shù)據(jù)采集儀，并安裝無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用專用的IP地址通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸.圖3所示為赤石大橋風(fēng)觀測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件界面.

圖2 赤石特大橋風(fēng)速儀布置Fig.2 Layout of anemometers of Chishi bridge

圖3 赤石特大橋遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.3 Wind data acquisition GUI of wind measurement system for Chishi bridge

2 非平穩(wěn)風(fēng)速模型

非平穩(wěn)風(fēng)速時(shí)程U(t)可以分解為一個(gè)確定性時(shí)變平均風(fēng)速和平穩(wěn)隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速即非平穩(wěn)風(fēng)速模型，其表達(dá)式[19]為：

(1)

非平穩(wěn)時(shí)間序列檢驗(yàn)方法通常分為圖形檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn).圖形檢驗(yàn)是通過(guò)圖形趨勢(shì)直觀進(jìn)行判斷，分為時(shí)間序列趨勢(shì)圖檢驗(yàn)和自相關(guān)函數(shù)圖檢驗(yàn).統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷，更為準(zhǔn)確和重要，分為DF(Dickey Fuller)法和ADF (Augment Dickey Fuller)法.本文因側(cè)重于沿橋軸向風(fēng)特性分析，故未對(duì)風(fēng)樣本非平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)展開深入分析.

3 沿橋軸向平均風(fēng)特性分析

3.1 平均風(fēng)速

目前對(duì)赤石特大橋已進(jìn)行了近二年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得2013年5月～2014年12月期間共17 d的非平穩(wěn)風(fēng)樣本.選取典型兩天風(fēng)樣本進(jìn)行分析：2014年7月3日風(fēng)速樣本和2014年7月12日風(fēng)速樣本.采用平穩(wěn)風(fēng)速模型計(jì)算10 min平均風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4(a)可以得到，沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速時(shí)程變化趨勢(shì)基本保持一致，7月3日07:00-08:00時(shí)段(以下簡(jiǎn)稱樣本1)平均風(fēng)速變化幅度非常顯著，表現(xiàn)為突變性；沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大10 min平均風(fēng)速分別為：10.899 m/s,9.998 m/s, 10.920 m/s和10.177 m/s.由圖4(b)可以得到，沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速時(shí)程變化趨勢(shì)基本保持一致，7月12日17:00-18:00時(shí)段(以下簡(jiǎn)稱樣本2)平均風(fēng)速變化幅度非常顯著，表現(xiàn)為突變性；沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大10 min平均風(fēng)速分別為：9.076 m/s,9.657 m/s,10.881 m/s和9.951 m/s.

平穩(wěn)時(shí)間序列在圖形上往往表現(xiàn)出一種圍繞其均值不斷波動(dòng)的過(guò)程；非平穩(wěn)序列往往表現(xiàn)出在不同時(shí)間段具有不同均值，如持續(xù)上升或持續(xù)下降.由圖4可知，樣本1,2平均風(fēng)速變化較為顯著，采用圖形檢驗(yàn)方法可直觀判定為非平穩(wěn)風(fēng).

選用提取小波變換精度較高的Daubechies(DB)10小波函數(shù)提取非平穩(wěn)風(fēng)樣本時(shí)變平均風(fēng)速，圖5為樣本1和樣本2沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)變平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果.由圖5(a)可以得到樣本1沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)變平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本保持一致，沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速分別為：12.938 m/s,10.778 m/s,11.667 m/s和10.950 m/s．6-3測(cè)點(diǎn)、7-1測(cè)點(diǎn)、7-3測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速較6-1測(cè)點(diǎn)分別提高-16.7%,-9.8%和-15.4%；4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速較10 min平均風(fēng)速最大值分別提高18.7%,7.8%,6.8%和7.6%.由圖5(b)可以得到樣本2沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)變平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本保持一致，沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速分別為：11.011 m/s,10.320 m/s,11.589 m/s,10.435 m/s．6-3測(cè)點(diǎn)、7-1測(cè)點(diǎn)、7-3測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速較6-1測(cè)點(diǎn)分別提高-16.7%,5.2%,-5.2%；4個(gè)測(cè)點(diǎn)最大時(shí)變平均風(fēng)速較10 min平均風(fēng)速最大值分別提高-6.3%,6.9%,6.5%,4.9%.

時(shí)間 (a)2014年7月3日

時(shí)間 (b)2014年7月12日?qǐng)D4 典型非平穩(wěn)風(fēng)樣本10 min平均風(fēng)速Fig.4 10 min mean wind speeds of typical non-stationary samples

時(shí)間 (a)樣本1

時(shí)間 (b) 樣本2圖5 時(shí)變平均風(fēng)速計(jì)算結(jié)果Fig.5 Values of time-varying mean wind speeds

3.2 平均風(fēng)向角

僅考慮風(fēng)速非平穩(wěn)性，風(fēng)向角和風(fēng)攻角按平穩(wěn)處理.圖6所示為典型非平穩(wěn)風(fēng)樣本沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)向角時(shí)程.由圖6(a)為2014年7月3日沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)向角時(shí)程，從圖中可以看出平均風(fēng)速較大風(fēng)速多出現(xiàn)在S、SSE兩個(gè)方向且在07:00和09:00兩個(gè)時(shí)刻附近風(fēng)向角變化幅度較大；圖6(b)表示2014年7月12日平均風(fēng)向角時(shí)程，從圖中可以看出平均風(fēng)速較大的風(fēng)速多出現(xiàn)在S、SSE兩個(gè)方向，在18:00附近風(fēng)向角變化幅度較大.

時(shí)間 (a)2014年7月3日

時(shí)間 (b) 2014年7月12日?qǐng)D6 典型非平穩(wěn)風(fēng)樣本平均風(fēng)向角Fig.6 10 min mean wind direction of typical non-stationary samples

3.3 平均風(fēng)攻角

圖7所示為樣本1和樣本2沿橋軸向6-1測(cè)點(diǎn)、7-1測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)攻角時(shí)程.從圖7(a)可得到樣本1在沿橋軸向6-1測(cè)點(diǎn)、7-1測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)攻角變化趨勢(shì)沒(méi)有一致性，風(fēng)攻角大部分在-5°～5°范圍內(nèi)波動(dòng)；6-1測(cè)點(diǎn)10 min平均風(fēng)速達(dá)到最大值為10.899 m/s時(shí)，風(fēng)攻角為-2.9°；7-1測(cè)點(diǎn)10 min平均風(fēng)速達(dá)到最大值為10.920 m/s時(shí)，風(fēng)攻角為3.1°.從圖7(b)可以得到樣本2在沿橋軸向6-1測(cè)點(diǎn)、7-1測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)攻角變化趨勢(shì)沒(méi)有一致性，平均風(fēng)攻角大部分在-5°～5°范圍內(nèi)波動(dòng)；6-1測(cè)點(diǎn)10 min平均風(fēng)速達(dá)到最大值為9.076 m/s時(shí)，風(fēng)攻角為-2.5°；7-1測(cè)點(diǎn)10 min平均風(fēng)速達(dá)到最大值為10.881 m/s時(shí)，風(fēng)攻角為-1.8°.

10 min平均風(fēng)速/(m·s-1) (a)樣本1

10 min平均風(fēng)速/(m·s-1) (b) 樣本2圖7 非平穩(wěn)風(fēng)樣本平均風(fēng)攻角Fig.7 10 min mean wind angle of attack of non-stationary samples

4 沿橋軸向脈動(dòng)風(fēng)特性分析

4.1 湍流強(qiáng)度

(2)

采用非平穩(wěn)模型計(jì)算了樣本1和樣本2沿橋軸向兩個(gè)三維風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn)6-1和測(cè)點(diǎn)7-1的湍流強(qiáng)度，如圖8所示.由圖8可知樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1分別在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本保持一致.表1為樣本1和樣本2湍流強(qiáng)度均值.樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高-11.0%,-74.3%和28.9%；樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向湍流強(qiáng)度分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高21.5%,-23.2%和2.4%.赤石特大橋按C類地表取值，規(guī)范[21]建議在150～200 m高度，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度Iu=0.15，樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1順風(fēng)向湍流強(qiáng)度均值分別超出規(guī)范建議值的21.3%,8.0%；樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1順風(fēng)向湍流強(qiáng)度均值分別超出規(guī)范建議值的48.7%,16.7%.

時(shí)間 (a)樣本 1

時(shí)間 (b)樣本 2圖8 湍流強(qiáng)度Fig.8 Turbulence intensities表1 樣本1和樣本2湍流強(qiáng)度均值Tab.1 The mean turbulence intensities of Sample1 and Sample2

樣本風(fēng)向湍流強(qiáng)度均值6-17-1順風(fēng)向0.1820.162樣本1橫風(fēng)向0.1360.035豎風(fēng)向0.0970.125順風(fēng)向0.2230.175樣本2橫風(fēng)向0.1900.146豎風(fēng)向0.1240.127

4.2 陣風(fēng)因子

非平穩(wěn)風(fēng)速模型陣風(fēng)因子為時(shí)距T(取T=10 min )內(nèi)陣風(fēng)持續(xù)期t(取t=3 s)內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速根方差的最大值與時(shí)距T的時(shí)變平均風(fēng)速均值之比，可表示為：

(3)

采用非平穩(wěn)模型計(jì)算了樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的陣風(fēng)因子，如圖9所示.由圖9可知樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1分別在順風(fēng)向、橫風(fēng)向的陣風(fēng)因子變化趨勢(shì)基本保持一致.表2給出了樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的陣風(fēng)因子均值.樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向的陣風(fēng)因子分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高36.9%,-75.2%；樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向的陣風(fēng)因子分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高-12.9%,-18.3%.

時(shí)間 (a)樣本 1

時(shí)間 (b)樣本 2圖9 陣風(fēng)因子Fig.9 Gust factors表2 樣本1和樣本2陣風(fēng)因子均值Tab.2 The mean gust factors of Sample1 and Sample2

樣本風(fēng)向陣風(fēng)因子均值6-1測(cè)點(diǎn)7-1測(cè)點(diǎn)樣本1順風(fēng)向1.9542.675橫風(fēng)向0.2860.071樣本2順風(fēng)向1.7141.585橫風(fēng)向0.4980.407

4.3 積分尺度

采用非平穩(wěn)模型計(jì)算了樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的積分尺度，如圖10所示.由圖10可知樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1分別在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向的積分尺度變化趨勢(shì)基本保持一致.表3給出了樣本1和樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的積分尺度均值.樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向的積分尺度分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高43.4%,8.8%,22.8%；樣本2沿橋軸向測(cè)點(diǎn)7-1在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向的積分尺度分別較6-1測(cè)點(diǎn)提高58.7%,45.1%,12.1%.

時(shí)間 (a)樣本 1

時(shí)間 (b)樣本 2圖10 積分尺度Fig.10 Integral scales表3 樣本1和樣本2積分尺度均值Tab.3 The mean integral scales of Sample1 and Sample2

樣本風(fēng)向積分尺度均值/m6-1測(cè)點(diǎn)7-1測(cè)點(diǎn)順風(fēng)向112.2160.9樣本1橫風(fēng)向130.3141.8豎風(fēng)向78.0100.8順風(fēng)向95.8152.0樣本2橫風(fēng)向171.1248.2豎風(fēng)向70.278.7

4.4 功率譜密度函數(shù)

以樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1功率譜密度函數(shù)為例，圖11為樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的順風(fēng)向功率譜密度，并與規(guī)范[21]推薦Simiu譜對(duì)比．從圖11可知，測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的順風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Simiu譜值偏低；在高頻段順風(fēng)向功率譜密度與Simiu譜吻合較好.圖12給出了樣本1沿橋軸向測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的豎風(fēng)向功率譜密度，并與規(guī)范[21]推薦Panofsky譜對(duì)比．從圖12可知，測(cè)點(diǎn)6-1、測(cè)點(diǎn)7-1的豎風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Panofsky譜值偏低；在高頻段豎風(fēng)向功率譜密度與Panofsky譜吻合較差.

n(a)測(cè)點(diǎn)6-1

n(b)測(cè)點(diǎn)7-1圖11 樣本1順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜Fig.11 Fluctuating wind power spectrum along wind direction for Sample1

n(a)測(cè)點(diǎn)6-1

n(b)測(cè)點(diǎn)7-1圖12 樣本1豎風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜Fig.12 The vertical fluctuating wind power spectrum for Sample1

5 結(jié) 論

采用小波法提取非平穩(wěn)風(fēng)速樣本時(shí)變平均風(fēng)速，分析沿橋軸向平均風(fēng)特性和紊流風(fēng)特性，得到如下結(jié)論：

1)沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本保持一致；樣本1沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大時(shí)變平均風(fēng)速較10 min的平均風(fēng)速最大值分別提高18.7%,7.8%,6.8%和7.6%；樣本2沿橋軸向4個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大時(shí)變平均風(fēng)速較10 min的平均風(fēng)速最大值分別提高21.3%,6.9%,6.5%和4.9%.

2)沿橋軸向風(fēng)樣本湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、積分尺度等紊流參數(shù)變化趨勢(shì)基本保持一致.實(shí)測(cè)樣本順風(fēng)向湍流強(qiáng)度較規(guī)范推薦值偏高.

3)沿橋軸向?qū)崪y(cè)風(fēng)速樣本順風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Simiu譜值偏低；在高頻段順風(fēng)向功率譜密度與Simiu譜吻合較好.豎風(fēng)向功率譜密度在低頻段較Panofsky譜值偏低；在高頻段豎風(fēng)向功率譜密度與Panofsky譜吻合較差.

需要指出的是，在觀測(cè)期間中出現(xiàn)突變風(fēng)且平均風(fēng)速達(dá)到10 m/s強(qiáng)風(fēng)(工程規(guī)定強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速為10.8～13.8 m/s)的樣本數(shù)有限，下一步還要對(duì)更多的強(qiáng)風(fēng)樣本進(jìn)行分析.文中非平穩(wěn)風(fēng)樣本突變性與山區(qū)雷暴風(fēng)特征相似[18-22]，下一步將進(jìn)行深入研究.

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Wind Characteristics along Axis Bridge Measured at Multi-pylon Cable-stayed Bridge Site with High Piers

XIN Ya-bing1,2, SHAO Xu-dong1, LIU Zhi-wen1?, JIA Ya-guang3,DING Dong1

(1. Hunan Province Key Laboratory for Wind Engineering and Bridge Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2.Xiandai Investment Company Limited, Changsha, Hunan 410004, China；3. Henan Povincial Cmmunications Panning & Dsign Istitute Co Ltd, Zhengzhou, Henan 450052, China)

In order to study the wind characteristics along bridge axis at multi-pylon cable-stayed bridge site with high piers in mountainous terrain, two three-dimensional anemometers and two two-dimensional anemometers were installed on the bridge deck. The time-varying mean wind speeds of the non-stationary winds were obtained by wavelet analysis method. The mean wind and turbulence characteristics measured along the bridge axis were analyzed. The results demonstrate that the mean wind speeds and wind direction changed in the same trend along the bridge axis. The turbulence characteristics measured along the bridge axis, such as turbulence intensities, gust factors, and integral scales also changed in the same trend. Meanwhile, the mean longitudinal turbulence intensities were higher than the values recommended by wind resistant design specification for highway bridges, while the values of longitudinal turbulent wind spectrum measured along the bridge axis were lower than the specification spectrum at low frequencies and close to the specification spectrum at high frequencies. The values of vertical turbulent wind spectrum measured along the bridge axis were lower than the specification spectrum at low frequencies and not close well to the specification spectrum at high frequencies.

mountainous terrain; wavelet analysis; non-stationary wind speed model; time varying mean wind speed; field measurement

1674-2974(2016)11-0103-09

2015-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478180), National Natural Science Foundation of China(51478180)

辛亞兵(1980-)，男，湖北安陸人，湖南大學(xué)博士研究生，工程師?通訊聯(lián)系人，E-mail:zhiwenliu@hnu.edu.cn

U448.27

A