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南寧城市橋梁建設(shè)氣候適宜性評估*

1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心 2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心 羅紅磊1,2 蘇志1,2 周紹毅1,2 何如1,2

在橋梁建造設(shè)計(jì)時(shí)，對造型、材料以及技術(shù)的要求無不滲透著對當(dāng)?shù)靥鞖?、氣候的適應(yīng)性。該文對影響大橋建設(shè)的主要?dú)夂蛞蜃樱囟?、降水和風(fēng)速）進(jìn)行分析，評估南寧城市橋梁建設(shè)的氣候適宜性，以期為減輕氣候條件對橋梁施工進(jìn)度、工程質(zhì)量及大橋建成后運(yùn)營管理方式的影響提供科學(xué)依據(jù)，提高橋梁防災(zāi)減災(zāi)能力。

橋梁建設(shè) 氣候適宜性評估 南寧市

1 概述

“十二五”期間，南寧橋梁建設(shè)迅速發(fā)展，南寧市區(qū)內(nèi)建成的凌鐵大橋、五象大橋、英華大橋、羅文大橋等跨江大橋連接江南與江北兩大片區(qū)，全面改善了邕江兩岸的交通，為實(shí)現(xiàn)南寧市的交通順暢、快捷做出了重大貢獻(xiàn)。南寧屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季受東北季風(fēng)影響，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，氣候獨(dú)特。

在橋梁建造設(shè)計(jì)時(shí)，對造型、材料以及技術(shù)的要求無不滲透著對當(dāng)?shù)靥鞖?、氣候的適應(yīng)性[1-2]，南寧所建的橋梁大多為混凝土橋梁，氣候?qū)蛄旱脑O(shè)計(jì)和施工建設(shè)有一定影響，主要?dú)夂蛴绊懸蜃佑袦囟?、降水和風(fēng)速。

1.1 溫度條件決定了大橋伸縮縫大小和數(shù)量，是大橋結(jié)構(gòu)平衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)

《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)伸縮裝置時(shí)，應(yīng)考慮其安裝的時(shí)間，伸縮量應(yīng)根據(jù)溫度變化及混凝土收縮、徐變、受荷轉(zhuǎn)角、梁體縱坡及伸縮裝置更換所需的間歇量等因素確定[3]。因此，溫度是大橋具有“高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性”性能的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，溫度條件還決定了工程工期的安排，《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）規(guī)定，室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃即進(jìn)入冬期施工，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定高于5℃時(shí)解除冬期施工。當(dāng)日平均氣溫達(dá)到30℃及以上時(shí)即進(jìn)入高溫施工[4]。因此，當(dāng)室外溫度在5～30℃時(shí)才適宜進(jìn)行混凝土施工期的安排，溫度過低、過高均影響工程質(zhì)量的穩(wěn)定。

1.2 降水強(qiáng)度是橋面防水排水必須考慮的重要?dú)庀笠蛩?/p>

《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)提到，橋面防水是橋梁耐久性的一個(gè)重要方面，對延長橋梁壽命起到關(guān)鍵性的作用，而橋面防水還必須和橋面排水配合，做到“防排結(jié)合”。排水管直徑和橋面設(shè)置排水管的截面積應(yīng)根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]?！痘炷两Y(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）規(guī)定，“小雨、中雨天氣不宜進(jìn)行混凝土露天澆筑，且不應(yīng)開始大面積作業(yè)面的混凝土露天澆筑；大雨、暴雨天氣不應(yīng)進(jìn)行混凝土露天澆筑”[2]。大橋在施工時(shí)，應(yīng)格外重視天氣變化，根據(jù)降水預(yù)報(bào)，合理安排施工時(shí)間。

1.3 風(fēng)是空氣的流動(dòng)，有重量也有速度，會對大橋產(chǎn)生一定的壓力

從1818年有橋梁風(fēng)毀記錄資料以來，全世界已有近20座大跨橋梁毀于強(qiáng)風(fēng)，因此，大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是很重要的工作。《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）要求計(jì)算橋位的基本風(fēng)速、陣風(fēng)系數(shù)等工程氣象參數(shù)，為大橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[6]。

因此，本文對影響大橋建設(shè)的上述主要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行分析，評估南寧城市橋梁建設(shè)的氣候適宜性，為減輕氣候條件對橋梁施工進(jìn)度、工程質(zhì)量及大橋建成后運(yùn)營管理方式的影響提供科學(xué)依據(jù)，提高橋梁防災(zāi)減災(zāi)能力。

2 資料來源

本文所使用的氣象資料為南寧國家基本氣象站的觀測資料。氣溫、降水、風(fēng)速等氣象資料的累年平均值統(tǒng)計(jì)年限為1986—2015年，極端值的統(tǒng)計(jì)年限為1951—2015年。季節(jié)劃分按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～翌年2月為冬季。

3 溫度適宜性分析

3.1 氣溫和地表溫度（0cm）的基本特征

南寧的年平均氣溫為21.8℃，極端最高氣溫為40.4℃（1958年5月9日），極端最低氣溫為-2.1℃（1955年1月12日）。南寧年平均地表溫度（0cm）為24.2℃，最熱月7月、8月平均地溫31.6℃，最冷月1月平均地溫14.1℃。極端最高地溫為71.3℃（1965年8月）；極端最低地溫為-5.0℃（1974年1月）。

3.2 冬期施工氣溫分析

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，南寧日最低氣溫＜5℃的日數(shù)平均每年7.8d，集中出現(xiàn)在11月至翌年的3月，其中1月出現(xiàn)的日數(shù)最多，為3.3d。南寧日最低氣溫＜5℃的日數(shù)最多年份出現(xiàn)在2014年，達(dá)23d。南寧日最低氣溫＜5℃的日數(shù)最少年份出現(xiàn)在1979年和1997年，日數(shù)為0d，即在這兩年沒有出現(xiàn)最低氣溫小于5℃的天氣。見表1。

3.3 高溫施工期氣溫分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，南寧年平均日最高氣溫≥30℃的日數(shù)為147.3d，主要出現(xiàn)在5月～10月，其中7月最多，平均日數(shù)達(dá)27.3d，12月～1月鮮有日最高氣溫≥30℃的天氣出現(xiàn)，見表1。

表1 南寧各氣溫日數(shù)統(tǒng)計(jì)（d）

3.4 影響大橋結(jié)構(gòu)伸縮的溫度日較差分析

南寧市氣溫最大日較差在14.2～22.2℃之間，見表2，其中夏季較小，在16.0℃以下。11月至翌年3月氣溫最大日較差較大，在20.0℃以上，1月最大，為22.2℃，該值出現(xiàn)在1974年1月1日，當(dāng)天日最高氣溫為21.5℃，日最低氣溫為-0.7℃。南寧市地溫（0cm）最大日較差在39.0～49.2℃之間，最大值為49.2℃，該值出現(xiàn)在1969年4月9日，當(dāng)天日最高地溫為54.2℃，日最低地溫為5.0℃。

表2 南寧市各月最大溫度日較差（℃）

4 降水適宜性分析

4.1 降水的基本特征

南寧年降水量為1285.2mm，降水量的逐月變化趨勢較明顯，年內(nèi)雨水主要集中在4～9月，期間降水量為1013.0mm，占全年總降水量的78.8%；10月至翌年3月降水只占全年的21.2%。

4.2 影響大橋施工的降雨日數(shù)分析

根據(jù)《降水量等級》（GB/T28592-2012）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[7]，南寧年平均小雨日數(shù)為102.9d，全年1月～12月均有小雨，以3月的12.1d最多，此時(shí)正是南寧市低溫陰雨天氣的時(shí)節(jié)。南寧年平均中雨日數(shù)為20.6d，全年1月～12月均有中雨，以7月的3.4d最多。南寧年平均大雨日數(shù)為9.6d，全年1月～12月均有大雨，以7月的2.1d最多。南寧年平均暴雨日數(shù)為4.8d，暴雨主要出現(xiàn)在5月～9月，其中以6、7月最多。

5 風(fēng)適宜性分析

5.1 風(fēng)速分析

南寧年平均風(fēng)速為1.3m/s，各月平均風(fēng)速變化不明顯。南寧的年最大風(fēng)速為16.9m/s，出現(xiàn)在1971年7月。南寧年平均大風(fēng)日數(shù)為2.1d，夏季大風(fēng)日數(shù)最多，冬季大風(fēng)日數(shù)最少。

5.2 不同重現(xiàn)期風(fēng)速

利用南寧氣象站訂正后的年最大風(fēng)速序列，采用極值I型概率分布函數(shù)計(jì)算得到南寧氣象站地面10m高度不同重現(xiàn)期10min平均最大風(fēng)速，見表3，其中100年一遇最大風(fēng)速為22.8m/s。

表3 南寧氣象站10m高度不同重現(xiàn)期風(fēng)速（m/s）

陣風(fēng)系數(shù)是描述風(fēng)的陣性特征的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。將瞬時(shí)（3s）最大風(fēng)速（即極大風(fēng)速）與10min平均最大風(fēng)速比值定義為陣風(fēng)系數(shù)G：

式中，Vmax為極大風(fēng)速，為10min最大平均風(fēng)速。

利用南寧氣象站測風(fēng)資料，計(jì)算得到陣風(fēng)系數(shù)G為1.37。

利用不同重現(xiàn)期10min平均最大風(fēng)速乘以陣風(fēng)系數(shù)，即可得到各重現(xiàn)期極大風(fēng)速。其中100年一遇極大風(fēng)速為31.2m/s。

5.3 不同重現(xiàn)期風(fēng)壓

根據(jù)南寧氣象站所在位置的海拔高度和空氣密度計(jì)算公式，計(jì)算得到南寧氣象站所在位置距離地面10m高度的空氣密度為0.001235 t/m3，然后根據(jù)南寧氣象站所在位置空氣密度和最大風(fēng)速，按伯努利公式計(jì)算得到南寧不同重現(xiàn)期的風(fēng)壓(見表4)，其中100年一遇的風(fēng)壓為0.29 kN/m2。

表4 南寧氣象站10m高度各重現(xiàn)期風(fēng)壓（kN/m2)

6 結(jié)論

（1）南寧年平均氣溫為21.8℃，極端最高氣溫為40.8℃，極端最低氣溫為-2.1℃。南寧年平均地表溫度（0cm）為24.2℃，極端最高地溫為71.3℃；極端最低地溫為-5.0℃。夏有酷暑，不利于橋梁建設(shè)的室外施工作業(yè)。

（2）南寧年平均日最低氣溫＜5℃的日數(shù)僅7.8d，冬季氣溫對大橋工程混凝土澆筑影響不大。

（3）南寧全年日最高氣溫≥30℃的日數(shù)較多，達(dá)147.3d，不利于大橋的混凝土施工。

（4）南寧市的溫度變化比較大，其中氣溫最大日較差為22.2℃，地溫（0cm）最大日較差達(dá)49.2℃，建議合理設(shè)計(jì)大橋的伸縮縫及安排施工時(shí)間段。

（5）南寧年降水量較大，達(dá)1285.2mm，小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)分別為102.9d、20.6d、9.6d和4.8d，不利于大橋混凝土施工的降雨天氣較多。

（6）南寧年平均風(fēng)速為1.3m/s，年最大風(fēng)速為16.9m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)為2.1d。南寧的陣風(fēng)系數(shù)G為1.37，100年一遇最大風(fēng)速為22.8m/s，100年一遇極大風(fēng)速為31.2m/s，100年一遇的風(fēng)壓為0.29 kN/m2?？傮w而言，風(fēng)速不大，風(fēng)壓對橋梁的產(chǎn)生威脅較小。

[1]王元豐，韓冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學(xué)報(bào), 2009(3)：76-80.

[2]劉聰，張忠義，黃世成.橋梁氣象專題研究與服務(wù)[J].氣象科技,2004, 32(6)：399-403.

[3]城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11-2011)[S].北京：中國建筑出版社，2011.

[4]混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范（GB50666-2011）[S].北京：中國建筑出版社，2011.

[5]城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11-2011)[S].北京：中國建筑出版社，2011.

[6]公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T D60-01-2004)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]降水量等級（GB/T28592-2012）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015GXNSFBA139189）和廣西氣象服務(wù)中心科研項(xiàng)目（201604）。