简易峡谷地形模型风场特性试验研究★

李春光 刘 熠

(1.长沙理工大学 桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心，湖南 长沙 410114；

·桥梁·隧道·

简易峡谷地形模型风场特性试验研究★

李春光1刘 熠2

(1.长沙理工大学 桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心，湖南 长沙 410114；

2.葛州坝集团第五工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

为了获得桥址处于峡谷地形时的风场特性分布规律，采用圆锥形山体制作了具有不同谷坡斜率的系列简易峡谷模型，并通过风洞试验测试了其风场特性，最终得出了一些有参考价值的结论。

峡谷，风场特性，简易模型，风洞试验

西部大开发战略实施的不断深化对我国西部地区的交通基础设施建设提出了迫切的需求。西部山区其固有的自然地形条件多崇山峻岭，深沟宽谷，这种条件决定了大量的跨越深沟宽谷的大跨度桥梁需要修建。悬索桥、斜拉桥等柔性桥梁因其卓越的跨越能力受到了广泛的青睐。目前已有多座千米级跨谷大跨度桥梁已建或正在修建。例如主跨1 176 m的湘西矮寨特大悬索桥，主跨1 088 m的坝凌河特大悬索桥以及主跨900 m的四渡河特大悬索桥等[1，2]。然而自1940年美国旧塔科马桥风毁之后，桥梁风致稳定已成为大跨度柔性桥梁设计和建造的控制因素。

为准确评价桥梁的抗风性能，首先需要解决的就是桥址处的风荷载输入，也即是桥址风场特性。我国《公路桥梁抗风规范》[3]所规定的四类基本地形适用于各向同性的开阔地貌，当桥址处于山区峡谷这种特殊地形时，规范提供的风场特性公式将不再适用。规范[5]建议当桥址处于峡谷或山口等特殊地形时可采用风洞试验或数值模拟或者现场实测等方法确定其风场特性参数。现场实测方法无疑是最为准确的手段，通过长期观测可以获得桥址处的真实风场数据[4，5]，然而该方法本身也具有着较多的不足，例如，一方面需要长期实测积累才能获得可用于工程实践的数据，同时经费花费高，对设备的性能有较高的要求。另一方面，实测受地形等条件限制，通常只能获得有限位置的风速数据，当桥址处于峡谷复杂地形时，很难从个别位置数据推算全桥范围的风场特点。随着计算机能力的快速提高，CFD数值模拟技术被越来越多的应用于复杂地形的风场特性模拟，并取得了一定的成果[6-8]。受计算能力以及湍流模型的限制，数值模拟的计算精度目前仍有待提高。相比于上述两种方法，地形模型风洞试验有着时间短花费少，试验条件可控，结果准确等优点，是目前被广泛认可的一种获得风场特性参数的手段[9-11]。

当桥址处于山区峡谷地形时，由于峡谷地形不尽相同，通过真实地形模型虽然能够获得特定桥址峡谷的风场特性，但是对其他不同峡谷的风场特性研究参考意义相对较小。若将峡谷地形简化，将局部部位的差别剔除，取大多数峡谷的共同特征来模拟，再通过试验进行研究将对该类地形的风场特性具有重要意义。本文将峡谷地形简化，制作了系列简易峡谷地形模型，通过风洞试验分析了峡谷坡度、宽度等参数对谷内风场的影响，获得了山区峡谷风场的一些基本规律，可供类似地形的工程实践参考。

1 风洞试验布置

将实际峡谷进行简化，排除峡谷地形复杂多变的局部构造的干扰，采用圆锥形山体来模拟系列的简易峡谷。圆锥山体采用厚度为3 mm的复合板模拟高程等高线叠合而成，以此来考虑山体粗糙度对风场的影响。通过固定山体底部尺寸，变化山体高度的思路来模拟具有不同边坡斜率的峡谷地形。圆锥底面半径固定为14.3 cm，制作了四种不同高度5.72 cm,7.15 cm,8.8 cm，10.8 cm的圆锥以模拟峡谷不同的边坡坡度。试验所用风洞截面尺寸为0.5 m(宽)×0.5 m(高)，2.1 m(长)。为了尽量减小试验过程中风洞工作截面的气流阻塞率，将圆锥体一劈为二，然后用两半锥体组成峡谷地形模型。为了考虑峡谷两侧山体对来流的分离作用，将半圆锥体剖分面与风洞轴线呈45°角布置。

考虑山区地面粗糙度实际情况，试验来流选择规范中的C类风场进行。采用尖劈加粗糙元结合横挡板的被动模拟方法进行试验风场的调试。试验布置如图1所示。试验过程中采用Cobra Probe三维风速探针进行风速及攻角测试，采样频率设定在1 000 Hz，采样时间为30 s。经测试在模型试验截面处，来流边界层达20 cm厚，满足简易峡谷模型的试验高度。试验来流风场剖面模拟结果如图2及图3所示。

2 试验结果分析

2.1 平均风剖面

通过对上述四组不同边坡斜率峡谷模型的风洞试验，获得了简易模型峡谷范围内不同位置的平均风特性，如图4所示为相对于谷顶高度的平均风剖面竖向分布图。与直观预测结果趋势相同，与来流风剖面相对比，峡谷内平均风剖面由于峡谷的压缩加速效应，剖面指数有减小的趋势。在谷中位置，随边坡斜率的增大，平均风剖面指数逐渐减小，对各工况剖面指数进行最小二乘拟合可以得到剖面指数a分别为0.14，0.132，0.115和0.102。虽然谷内四分点位置平均风剖面受峡谷加速效应影响也有减小，四种不同边坡斜率下其剖面指数基本相同，约为0.11。另外，由于桥梁跨越峡谷时主梁一般处于谷顶高度附近，因此谷顶高度处平均风速的分布对主梁风荷载的计算有重要影响。将不同试验工况下谷顶高度处平均风速沿峡谷跨度方向的分布曲线绘出，如图5所示，从图中可以很明显看出各谷坡斜率谷顶高度处平均风速均表现出自跨中向两侧山体减弱的分布规律，并且谷坡斜率越陡减弱趋势愈强。究其原因，峡谷内靠近山体处风速受山体的摩擦阻挡作用明显，从而低于谷中风速。由此可知峡谷内的风场具有明显三维特性，峡谷桥址桥梁风振分析时需考虑平均风沿桥跨的纵向分布不均匀特性。

2.2 风攻角

大跨度桥梁抗风分析中，与来流平均风速相关的参数除去风速之外，来流风攻角同样具有重要作用。我国规范中规定在进行大跨度桥梁风振分析时通常要考虑±3°的来流攻角工况。因此，试验过程中特别测试了谷顶高度处不同位置的来流攻角分布情况，如图6所示。从图中可以看出，不同谷坡斜率模型中，受峡谷对风场的挤压作用，跨中位置风攻角受谷坡斜率影响较小，试验过程中基本保持+2.5°左右。然而从谷中向两侧山体方向，风攻角逐渐增大，并且边坡斜率越陡风攻角增加越快，靠近两侧山体附近，风攻角已经超过4°，超出了规范中的要求。由此可见，当桥梁跨越山区峡谷时抗风分析的攻角取值已不能按常规要求进行，需要考虑适当的增大攻角范围以避免出现不利影响。

2.3 风场加速效应

复杂地形对来流平均风速的影响，对桥梁抗风分析具有重要意义。我国规范中建议处于峡谷或山口等引起加速效应的特殊地形时，来流风速可考虑增大10%～20%，英国建筑结构风荷载规范也建议峡谷地形平均风速应当增大10%。定义风场加速系数为峡谷内实测风速与相同高度处参考来流风速的比值。图7所示为谷中与四分点处平均风加速效应沿相对于峡谷谷顶高度竖直剖面的分布随边坡斜率的变化情况。由图可知，峡谷内不同位置的加速效应均随高度的增加呈衰减趋势，并且谷中加速系数竖向的衰减态势明显强于四分点位置，同时边坡越陡峭即斜率越大则加速效应愈显著。Cao与Tamura 在研究山体表面粗糙度影响时指出[12]，山体表面的无滑移边界条件决定了在近山体处存在一个平均风加速效应最强高度。由于试验过程中未能测试紧靠山体的高度，这一现象未能展现。由于桥面位置通常处在谷顶处，因此此处的加速效应对于主梁的风荷载取值具有重要影响。从图中可以看出，谷顶海拔高度四分点处的加速效应普遍高于0.2，而谷中位置小于0.1，这进一步反映了峡谷内风场的空间三维性。

3 结语

通过系列简易峡谷模型风洞试验，峡谷内风场特性具有以下基本规律：1)峡谷内平均剖面不能用单一指数描述，平均风速沿谷宽方向分布具有明显的三维特性。2)峡谷内风场加速效应随高度增高显著减小，跨中谷顶处加速系数小于0.1，而靠近山体处四分点加速系数超过0.2。3)峡谷内风攻角受地形影响，谷中低两边高，并且超出了规范要求的常规±3°范围。

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上海:同济大学博士学位论文,2006:87-108.

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Research on wind field feature tests of simple canyon terrain model★

LI Chun-guang1LIU Yi2

(1.ChangshaUniversityofTechnologyBridgeEngineeringSafetyControllingTechniqueandQuipment,HunanEngineeringTechnicalResearchCenter,Changsha410114,China; 2.TheFifthCompany,GezhoubaGroup,Yichang443000,China)

In order to obtain the wind field feature distribution law of the bridge address, the paper adopts the conical mountain to make simple canyon models with different slopes, tests its wind field features by the wind cave tests, and achieves valuable conclusion.

canyon, wind field feature, simple model, wind cave test

1009-6825(2014)28-0163-03

2014-07-28★:西部交通重大专项(项目编号：2011318824140)；国家自然科学基金资助项目(项目编号：51278069，51208067);湖南省教育厅优秀青年项目资助(项目编号：12B009)

李春光(1980- )，男，博士，讲师； 刘 熠(1988- )，男，硕士

U448

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