西部河谷地区三水河桥址风场特性试验研究

白 桦，李加武，刘健新

(长安大学 公路学院 公路大型结构安全教育部工程中心，西安 710064)

近年来，随着我国交通事业的快速发展，跨越山、河、沟、谷的地方修建了越来越多的桥梁。我国西部地区多山谷沟壑，桥梁结构形式多选用连续刚构。一些高墩大跨连续刚构桥，墩高已接近200 m。随着墩高及跨度的增大，桥梁结构刚度降低，振动频率下降，对风的敏感性增高，风荷载成为这类桥梁的控制性荷载之一。由于这类桥梁大都修建在山区，周围风环境比较复杂。要对桥梁的抗风性能进行研究，必须首先了解桥址处的风场特性。由于现场实测费时费力，受工期进度的限制不便开展，往往借助地形模型风洞试验了解桥址处的风场特性。已有的关于山区风场特性的研究表明［1－3］:当来流通过山体时，在山顶处风速有加速效应。山谷中的脉动风功率谱密度与文献［4］中建议值存在显著差异［5］。庞加斌［6］通过地形风洞试验得到地形修正系数，以此来确定桥梁的设计基本风速。胡峰强等［7］研究表明桥址处的平均风攻角不在常规的－3°～3°范围内。山区桥梁由于其所处地形位置的特殊性，尽管已取得了一些研究成果，但很难对山区地形的风场特性有统一的定量性的指导标准，只能通过不同的地形进行大量试验，以此总结山区地形的一般规律。

本文的工程背景是咸阳至淳化至旬邑高速公路跨越三水河的特大型桥梁三水河桥。该桥址位于黄土塬区之间的河谷阶地地区，河谷两侧斜坡地形起伏较大，斜坡较陡，坡度为55°～60°之间。考虑该地区风环境较复杂，文献［4］中缺乏相关指导资料，有必要通过地形模型风洞试验掌握桥址处风特性的基本参数，从而了解西部河谷地区风场特性，为同类地区相关桥梁的抗风设计提供借鉴。

1 工程概况

三水河特大桥位于陕西省咸阳市旬邑县甘峪村，桥面海拔高度约1110 m。大桥横跨三水河，枕于两侧山头之上，桥面高度与山顶高度基本一致。

桥位地形为三水河两岸的南北走向的山岭。如图1所示，西面山岭海拔高度从900 m至1200 m不等，平均不超过1100 m;东面从900 m至1000 m变化，平均高度不超过1000 m。山岭从北向南渐窄，大桥处于峡谷中部。

图1 桥址地形平面图Fig.1 Sketch of terrain at the bridge site

2 地形模型风洞试验

2.1 地形模型设计及测量

风洞试验模拟大桥周边1.5km范围内的地形，如图2所示，模型比例为1:600。模型直径2.5 m，模型以外采用斜坡板模拟地形的渐变。模型的底部高度相当于海拔高度930 m，为河谷底部最低点的高度。模型的阻塞度小于10%。

模型采用泡沫塑料板分层叠加而成，每层的形状根据等高线切割成型。每层泡沫塑料厚度1 cm，相当于实际地形高差6 m。

地形模型固定在风洞转盘之上，通过转盘驱动机构实现风向角变化，定义横桥向上游(北侧)为模型270°风向角，顺时针旋转角度增加。

桥址处风速的测量采用自制的机翼形状的排管，如图2所示。排管上由低到高每隔5～10mm布一测压孔，共布置38个测点，测量由低到高的压力，通过各点测压数据转换成风速，达到多点同步测量的目的。压力测量系统采用美国PSI公司的电子压力扫描阀。

图2 桥位地形模型(比例1∶600)Fig.2 Terrain model at the bridge site(scaling 1∶600)

2.2 试验工况

风洞试验在长安大学风洞实验室进行。试验主要测试了12号～16号墩(12号桥墩和16号桥墩在半山腰，墩高120 m，其余墩高180 m)在不同风向下，从墩底到墩顶的风速。风向与模型方位的示意图如图2所示，桥址处模型测点位置图如图1所示，其中黑色方点表示风洞模型试验的测点。风向角的范围为:0°～315°，按45°步长增加，共8个风向角。为充分研究地形的风特性参数，试验在均匀流场中进行。

3 风洞试验结果及分析

3.1 河谷风效应

图3(图中红直线为桥墩高度线，黑直线为桥面高度线，Href为风洞试验时参考点高度，为1.42 m。Vref为参考点高度处的风速。)为12号桥墩(位于山坡上)与14号桥墩处(位于河谷中)不同风向角风速随高度变化结果。由图3可见:山坡处测点随高度增加风速增长较快。河谷中央测点随高度增加风速增长较慢，尤其是风垂直山脉吹过来时(0°和45°风向角)，风速增长最慢;西侧山脉平均高度较东侧山脉高，故西风时风速增长较东风时慢(0°较180°)。

当风向垂直河谷(顺桥向0°，45°和 180°，225°)时，相比靠近边坡的位置，在河谷中央底部一段高度范围内平均风速很小且几乎不变，在接近山顶时随着高度增加风速急剧增大。这是由于气流受阻，河谷中的风速将比平地减弱，而且河谷欲深、欲窄或两侧屏蔽愈大，河谷中的风速减弱欲甚。说明遮挡效应使风速在垂直方向变化急剧，风速轮廓线甚至出现拐点。

横桥风向(90°，135°和 270°，315°)的河谷风经过通长顺直河谷到达桥位处，平均风速垂直分布接近传统的风剖面。其他风向受前方山脉遮挡，河谷底部分区域内风速垂直分布无明显规律，在相当前方山脉平均海拔高度之上风速轮廓才趋于传统风剖面特征。位于山坡上的12号桥墩处平均风速在180°，270°，315°来流作用下，风速垂直分布几乎不变。分析可知，此处地形相比周边地形较为突出，风速受前方地表粗糙长度影响距离短。边界层未能充分发展就迅速接近试验风速。

比较图中各风向的平均风速水平分布情况，同一高度风速也不一致，说明山区地形边界层厚度受地形变化影响发展不均衡。

图3 不同风向角风速变化图Fig.3 The change of wind speed with different wind angles

3.2 平均风剖面

如图3所示不同风向来流在不同桥墩处形成的风剖面有如下规律:顺桥向的来流(0°风向角及180°风向角)由于受到两侧山体的影响，风速剖面不服从幂指数变化规律。横桥向来流(90°风向角和270°风向角)的峡谷风经过通长顺直峡谷到达桥位，平均风速垂直分布接近传统的风剖面。其他风向来流，由于受山脉遮挡，峡谷底部部分区域内风速垂直分布无明显规律。

如图4所示:当来流风向角改变时，各测点位置的风剖面也随之发生变化。12号测点位置由于靠近山顶，所以不同风向角来流在此处形成的风剖面比较一致。其余的四个测点位置，由于均处于山坡或山谷中，风向角改变后，测点位置处的风剖面变化也较大。当来流风向保持不变时，不同桥墩位置处的风速剖面也不相同，顺河谷来流(90°风向，270°风向和315°风向)在不同桥墩处形成的风剖面比较一致，不受周围地形影响。其他方向来流，受到周围地形影响在不同桥墩处形成的风剖面变化较大。

各测点在不同风向角下拟合的风剖面指数主要分布在0.2～0.4之间。有如下规律:① 河谷风平均风剖面指数较其他风向的小。② 除来流与河谷走向一致时风剖面接近幂指数分布外，其他风向角下风剖面不符合幂指数分布，无法用指数律来表征其平均风剖面特性。③ 对于河谷风，风剖面近似服从幂指数规律变化，拟合得到指数为0.142梯度风高度为327.5 m。

图4 各风向不同桥墩处地形风剖面指数Fig.4 Power exponent of wind speed profile of different wind angles and piers

3.3 湍流强度

从图5可以看出，湍流强度垂直分布总体随高度增加而减小，与平坦地区类似。由于山区地形各向异性特征，桥址处湍流强度随风向角与测点位置不同显著变化，靠近两侧山坡测点的湍流强度明显大于远离山坡的测点。

桥梁抗风更为关心的是横桥向风桥面高度位置湍流强度。考虑到实际地形周边更大范围地形特征湍流的影响，横桥向风受到的实际遮挡效应引起的湍流度可采用横桥向邻近偏角的来流状态近似考虑，分析各邻近偏角方向的来流湍流度，取其湍流度较大值作为横桥向来流时水平方向湍流度。风向角为135°时12号墩顶桥面处有最大湍流度61.5%。北风向湍流度最大，河谷风湍流度最小。桥面高度跨中的湍流度大于15%。

3.4 湍流积分尺度

图5 不同风向角时的湍流强度Fig.5 The turbulence intensity with different wind angles

湍流积分尺度是风工程领域的一个重要参数，反映了气流中湍流涡旋的平均尺寸。涡旋的大小对桥梁结构风荷载有较大影响。湍流积分尺度在不同高度和不同地形条件下是不同的。由于在空间上很难实现多点同步测量，故湍流积分尺度的常用计算方法是基于Taylor假设［8］，用自相关函数代替空间相关函数，采用如下公式进行计算:

表1给出了12号桥墩及14号桥墩位置桥面高度处的湍流积分尺度结果。由表1可见:由于周围地形干扰，相同位置随来流风向不同，湍流积分尺度会发生改变。14号桥墩处于河谷中，距离周边山地稍远，湍流积分尺度随风向角的变化不大。12号桥墩处于山坡上，受周围山地影响较大，湍流积分尺度的变化也较大。顺着河谷方向来流(90°，135°)当上游没有山地影响时，河谷不同位置处测得的积分尺度比较接近。

表1 湍流积分尺度结果Tab.1 The results of turbulence integral scale

3.5 脉动风功率谱

脉动风功率谱是反映风场中脉动风的平均功率关于频率分布的重要参数。目前我国规范建议的脉动风功率谱表达公式是Kaimal［10］提出的:

式中:su(n)表示顺风向脉动风功率谱密度函数，n为频率，u*为气流摩阻速度，f=nZ/U(z)，为莫宁坐标。

图6 14号桥墩功率谱Fig.6 The turbulence spectrum at the No.14 pier

图7 90°风向功率谱Fig.7 The turbulence spectrum at the wind angles of 90°

图6给出了14号桥墩位置桥面高度处横桥向(90°)与顺桥向(180°)的脉动风功率谱。河谷风(90°来流)由于不受周围山地的影响，当频率高于0.5Hz后与kaimal谱吻合的很好;顺桥向(180°来流)由于受到山地的影响，地表粘性对脉动风谱能量耗散显著，与标准kaimal谱相比高频段能量明显偏低。由此可见:西部河谷地区当来流受周边地形影响明显时，会使其风谱能量衰减很快，不符合惯性子区谱的条件。顺河谷方向的来流，由于顺河谷地形变化较缓，脉动风谱能量耗散几乎不受周边边界条件的影响，符合惯性子区谱的特点。图7很好的反映了这一规律，顺河谷方向的来流(90°)在12号桥墩与14号桥墩桥面高度的功率谱均与kaimal谱吻合很好。而180°来流由于受到山地的影响，在这两个桥墩位置处功率谱不能很好吻合kaimal谱，且这两个位置处的功率谱由于受周围山地影响程度不同也不能相互吻合。

3.6 桥面设计基准风速

根据全国基本风速分布图得到该地区的基本风速为26.8 m/s。通过基本风速换算到B类地貌梯度风高度处的风速为:

由地形模型试验拟合的地表粗糙度系数为0.142，梯度风高度为327.5 m，根据梯度风高度处的风速相等得到Vh=47.34 m/s。桥面到墩底的高度为191.5 m，可以得到三水河特大桥桥面高度成桥状态的设计基准风速为:

4 结论

(1)试验证实河谷桥位的风特性受分离或者回流影响，其风特性已经无法利用传统的模型描述。当来流与河谷走向一致时风剖面接近幂指数分布，其他风向角风剖面不符合幂指数分布，无法用指数律来表征其平均风剖面特性。能用幂指数来表示的风剖面指数主要集中在0.2～0.4之间，河谷风平均风剖面指数较其他风向小，拟合得到指数为0.142。

(2)遮挡效应是山区河谷中风特性的重要特征之一，由于周围高山遮挡，越山风下游的尾流区及其影响范围非常大，使得整个河谷内部流动完全被局部地形绕流和尾流控制，平均风速减小，湍流脉动剧烈。特别是在接近边坡的位置，桥面高度跨中的湍流度大于15%。大气边界层在山顶冠层之上才逐渐恢复。湍流积分尺度与脉动风功率谱也受到山地地形较大影响。

(3)由于桥梁结构位于河谷内，平均风速在来流风速的基础上被衰减而非放大。桥址处无明显的峡谷风效应。依据地形模型试验拟合的地表粗糙度指数及梯度风高度求得桥面高度成桥状态的设计基准风速为43.86 m/s。

［1］Kossmann M，Voegtlin R ，Corsmeier U ，et al.Aspects of the convective boundary layer structure over complex terrain［J］.Atmospheric Environment，1998，32(7):1323－1348.

［2］Bullard J E，Wiggs G F S，Nash D J.Experimental study of wind directional variability in the vicinity of a model valley［J］.Geomorphology，2000(35):127 －143.

［3］Carpenter P，Locke N.Investigation of wind speeds over multiple two-dimensionalhills［J］. JournalofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，83(1 －3):109－120.

［4］中华人民共和国交通部.公路桥梁抗风设计规范 (JTG/T D60－01—2004)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］陈政清，李春光，张志田，等.山区峡谷地带大跨度桥梁风场特性试验［J］.实验流体力学，2008，22(3):54－59.

［6］庞加斌.沿海和山区强风特性的观测分析与风洞模拟研究［D］.上海:同济大学，2006.

［7］胡峰强，陈艾荣，王达磊.山区桥梁桥址风环境试验研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2006，34(6)，721－725.

［8］Simiu E，Scanlan R H.Wind effects on structure［M］.New York:Wiley，1996.

［9］Flay R G J，Stevenson D C.Integral length scales in strong winds below 20m［J］.Jouronal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998，28:21 －30.

［10］KaimalJ C. Spectralcharacteristics ofsurface layer turbulence［J］.Royal Meterol.Soc，1972(98):563 － 589.