岳 川 金 耀 徐文城 韓 帥 葉志龍

(1.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312366； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

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嘉紹大橋橋址臺(tái)風(fēng)特性實(shí)測(cè)分析

岳 川1金 耀2徐文城2韓 帥2葉志龍2

(1.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312366； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

為保證嘉紹大橋橋梁全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)與行車(chē)雙重安全，構(gòu)建了橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)燦鴻臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)的分析，得到了10 min平均風(fēng)速風(fēng)向、湍流強(qiáng)度以及紊流功率譜密度函數(shù)等強(qiáng)風(fēng)特性，并評(píng)估了橋梁的抗風(fēng)性能，為橋梁管養(yǎng)單位進(jìn)行臺(tái)風(fēng)天氣橋梁運(yùn)營(yíng)及應(yīng)急管理工作提供了依據(jù)。

多塔斜拉橋，臺(tái)風(fēng)，風(fēng)速，湍流度

1 風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

嘉紹大橋主航道橋布置三向風(fēng)速儀于中跨跨中處G54截面和G56截面的兩側(cè)，如圖1所示。

本文主要分析了包含“燦鴻”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)橋址處在內(nèi)的(2015.07.10 00:00～2015.07.12 05:00)共53 h的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析時(shí)距為10 min，風(fēng)向角以正北風(fēng)為0°，順時(shí)針遞增。

2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性分析

2.1 平均風(fēng)速和平均風(fēng)向角

每個(gè)時(shí)距內(nèi)的水平平均風(fēng)速和平均風(fēng)向角由以下式確定：

(1)

(2)

脈動(dòng)風(fēng)速u(mài)(t),v(t),w(t)可以由下式確定:

(3)

其中，u(t),v(t),w(t)分別為一基本時(shí)距內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向脈動(dòng)風(fēng)速。

圖2是分析時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖。圖3，圖4分別是平均風(fēng)速和平均風(fēng)向角時(shí)程。從圖中可以看出，在2 500 min以前，臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)向大部分時(shí)間在0°附近波動(dòng)，即北風(fēng)；直到2 500 min以后，風(fēng)向開(kāi)始從北風(fēng)(0°)逐漸轉(zhuǎn)為西風(fēng)(270°)。整個(gè)過(guò)程期間，最大水平平均風(fēng)速為18.69 m/s，風(fēng)向角為343.6°。由于嘉紹大橋橋軸向接近正南北方向，因此此次臺(tái)風(fēng)的風(fēng)向基本與橋軸向平行。

2.2 湍流度

湍流強(qiáng)度代表了風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)烈。順風(fēng)向、橫向和豎向湍流強(qiáng)度由以下方程確定：

(4)

其中,σu,σv,σw分別為三個(gè)方向脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)方差。

圖5是湍流度時(shí)程，圖6是湍流度—風(fēng)向玫瑰圖。從圖中可以看出，大部分時(shí)間的湍流度都在10%以?xún)?nèi)；當(dāng)風(fēng)向從東北向逐漸變化為西北向時(shí)，即第2 000 min前后，來(lái)流風(fēng)越過(guò)了0°，越過(guò)了橋軸向，在此期間風(fēng)速測(cè)點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)受結(jié)構(gòu)自身的影響，湍流度明顯變大。

2.3 脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)

功率譜代表了脈動(dòng)風(fēng)速在頻域內(nèi)的能量分布，它是計(jì)算大跨橋梁抖振響應(yīng)的關(guān)鍵因素。一般而言，Von-Karman譜能夠描述風(fēng)速的自功率譜。該譜具有如下形式：

(5)

其中,f為頻率；Su,Sv,Sw分別為順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向功率譜；Lu,Lv,Lw分別為各自方向上估計(jì)的湍流積分尺度。

圖7為三個(gè)方向脈動(dòng)風(fēng)的功率譜密度函數(shù)以及相應(yīng)的Von-Karman擬合譜。由圖7可知，Von-Karman譜與實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜吻合較好，說(shuō)明嘉紹大橋橋址風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜可以用Von-Karman譜來(lái)描述。

3 結(jié)語(yǔ)

1)風(fēng)場(chǎng)特性分析表明：此次臺(tái)風(fēng)“燦鴻”在經(jīng)過(guò)嘉紹大橋橋址處時(shí)，其來(lái)流方向基本平行于橋軸向，最大平均風(fēng)速為18.69 m/s；湍流度一般在10%以下，只有當(dāng)風(fēng)向變化越過(guò)橋軸向時(shí)測(cè)點(diǎn)湍流度受結(jié)構(gòu)影響而顯著增大，脈動(dòng)風(fēng)功率譜與Von-Karman譜吻合很好。

2)由于此次臺(tái)風(fēng)的來(lái)流風(fēng)向與橋軸幾乎平行以及跨中處剛性鉸的設(shè)置，主梁的風(fēng)致振動(dòng)水平并不高，剛性鉸的作用也十分突出，結(jié)構(gòu)在此次臺(tái)風(fēng)中很安全。

3)橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋址風(fēng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，有效的保證運(yùn)營(yíng)期橋梁結(jié)構(gòu)與行車(chē)的雙重安全，同時(shí)為橋梁管理部門(mén)應(yīng)對(duì)橋梁突發(fā)事故提供了數(shù)據(jù)支撐與輔助決策。

[1] 賴(lài)馬樹(shù)金.基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的某斜拉橋風(fēng)場(chǎng)特性及風(fēng)效應(yīng)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 金 耀.大跨度橋梁全模態(tài)耦合顫抖振響應(yīng)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 喻 梅,廖海黎,李明水,等.大跨度橋梁斜風(fēng)作用下抖振響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2013，27(3):51-55.

[4] 劉 明.沿海地區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)分析與大跨度橋梁抖振響應(yīng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[5] Li H,Laima S,Zhang Q,et al.Field monitoring and validation of vortex-induced vibrations of a long-span suspension bridge[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2014,124(7):54-67.

[6] Li H,Laima S,Ou J,et al.Investigation of vortex-induced vibration of a suspension bridge with two separated steel box girders based on field measurements[J].Engineering Structures,2011,33(6):1894-1907.

Field monitoring of typhoon on the Jiashao Bridge

Yue Chuan1Jin Yao2Xu Wencheng2Han Shuai2Ye Zhilong2

(1.ZhejiangJiashaoCross-RiverBridgeInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd,Shaoxing312366,China；2.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd(HPDI),Beijing100088,China)

In order to guarantee double safety of structure and driving of Jiashao Bridge during its whole-life cycle, the paper buildings structural safety monitoring and inspection maintenance management system during the bridge operation period. Through analyzing field Canhong typhoon data, it obtains strong wind characteristics of 10 min average wind speed and direction, turbulence and turbulence power spectral density function, and assesses the bridge wind-resisting performance, which has provided some guidance for bridge administration units to carry out bridge operation with typhoon and emergent management as well.

multi-pylon cable-stayed bridge, typhoon, wind speed, turbulence

1009-6825(2016)30-0172-02

2016-08-15

岳 川(1984- )，男，工程師

U442.4

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