沿海开阔地区桥址风速空间分布规律研究

孟园英，王 俊，李加武

(1.广州市高速公路有限公司，广东 广州 510335；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

我国沿海地区受台风和季风影响[1-2]，强风发生频率高[3]。同时，大跨径桥梁由于刚度低、阻尼小，属于风致敏感结构，其抗风性能需要重点关注。确定桥址处的风速分布规律，是大跨径桥梁抗风性能研究的基础[4-5]。

一般来说，有3类方法可用以研究桥址处的风速分布规律，分别为现场实测[6-9]、数值模拟[10-11]和风洞地形模型试验[12-15]。现场实测可以获取桥址处可靠的风参数资料，但投资巨大，耗时耗力，一般观测时间为1～3 a，且观测位置有限，难以获取桥址处多个位置长期的风速资料；随着计算机技术的发展，数值模拟的方法也应用得更加广泛，其克服了现场实测监测点有限的缺点，可以获取计算域任意位置的流场信息，但是该方法的精度受到网格划分、计算域设置、湍流模型等因素的影响，一般需要辅以现场实测或者风洞试验的数据做验证；风洞地形模型试验结合了前两者的优点，即可以设置多个监测位置，便于设置工况，可操作性强，被广泛应用于桥址处的风速研究[14,16-17]。白桦等[12]设计了缩尺比1∶600的地形模型，通过对桥址处的地形模型试验研究，发现山区风剖面不是均符合幂指数规律。王峰等[13]设计了缩尺比1∶3 000的地形模型，研究了峡谷地形桥址处的风速变化规律，发现展向的风速分布具有强烈的不均一性，且受来流风向和测点位置影响明显。Li等[14]设计了缩尺比1∶1 000的地形模型，发现峡谷桥址地区风速变化不均一性强，桥塔位置风剖面可进行幂指数拟合，而主梁位置的风剖面可进行分段拟合。Song等[15]设计了缩尺比1∶2 000的地形模型，研究了桥址处的风速变化规律，发现山顶加速效应明显。国内外学者通过地形试验对桥址区的风参数进行了一系列研究，得到了丰富详实的研究成果，但是对试验结果的比较分析不够深入，比如风速和地表粗糙度系数，多是又针对试验结果做了一些阐释。

本研究以洪奇门特大桥为工程背景，通过地形模型风洞试验的方法研究了沿海开阔地区桥址场地的风速空间分布规律，然后通过试验结果修正了规范法和加权平均法的风速值，并给出风速建议值，最后从地貌分块的角度初步探讨了地貌特征和相对位置对测点地表粗糙度系数的影响。本研究有一定的应用价值，对类似地区桥梁抗风设计具有参考意义。

1 工程背景

洪奇门特大桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，位于广东省广州市南沙区的红港村与团结围之间，横跨洪奇沥水道，桥面海拔高度约35 m，高于周围建筑物和植被，桥梁主跨长520 m。桥址附近有成片的人工红树林，高度不超过10 m，周边房屋分布较为零散，多为2～3层，每层高度约为3.6 m，总体来说桥址处地势平坦，遮挡较少。桥址地形及桥型如图1所示。

图1 桥址地形及桥型示意图

2 地形模型风洞试验

2.1 地形模型设计

根据风洞试验阻塞率[18]以及模型缩尺比的要求[19]，以及尽可能考虑到顺桥向风参数的分布情况，因此，地形模型风洞试验模拟桥址周边方圆1.0 km 范围的地形，如图2所示，模型缩尺比为1∶500，模型半径1.0 m。试验时模型周边采用长度为0.25 m的斜坡板模拟地形的渐变。模型的底部高度相当于海拔高度0 m，为洪奇沥水道底部最低点海拔。模型平均高度小于0.1 m，阻塞率约0.1 m×2.5 m/(3.0 m×2.5 m)=3.3%<5%，阻塞效应可以忽略。

图2 地形模型

模型材料采用泡沫塑料板，其形状根据等高线信息打印成型。桥址处地形等高线图由设计院提供，比例为1∶1 000。

2.2 试验工况

地形模型风洞试验在长安大学风洞实验室CA-1大气边界层风洞中进行。压力测量系统由美国PSI公司电子压力扫描阀、A/D板、PC机、以及自编的信号采集及数据处理软件组成，电子压力扫描阀频率为312.5 Hz，其量程为±254 mm水柱，用于桥址关键位置压力的测量。本研究各测点风速由测压数据转换而来，满足多点同步测量的要求。

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的要求，以15°为间隔设计1个风向角，共24个风向角；另外，结合风荷载计算需要，选择桥梁主跨跨中和四分点位置和桥塔位置为测点，共5个测点，共计120个工况，用来研究主梁关键位置的风速分布规律。风向角与测点位置如图3所示。

图3 风向角及测点

2.3 风洞试验结果及分析

根据试验结果，通过分析得到各测点不同风向角的风剖面规律，并用幂指数律进行拟合，由于篇幅有限，仅展示部分工况的风剖面及其拟合结果，具体如图4所示。

从图4中可看出，不同测点和不同风向角的试验数据均能用幂指数函数拟合，与规范推荐的A类和B类风剖面较接近；同时，由于相关系数R2越接近1.0表征拟合效果越好，可以看出以跨中测点数据拟合的效果最优，说明桥址处来流受地形特征干扰小，均能得到充分发展，与抗风规范[18]推荐的幂指数规律吻合。不同测点处地表粗糙度系数的分布如图5所示。

由图4、图5可知，测点位置和风向角对地表粗糙度系数的影响不是很明显，地表粗糙度系数大多小于0.16，占比70.8%；绝大部分小于0.22，占比97.5%；其中分布在0.12～0.16之间的占比50.0%，介于A类～B类地表类型之间。需要注意的是，跨中测点的地表粗糙度系数均值为0.116，标准差为0.016，低于A类地表类型的0.12，需要进行进一步研究。由桥型布置图可知，跨中位于洪奇沥水道，为平坦开阔水面，粗糙度低；其他4个测点的地表粗糙度系数接近0.160，是受到河道周围树林、房屋的影响。

图4 典型风速剖面及拟合结果

图5 地表粗糙度系数分布

3 风速取值分析

为了确定桥址处的风速取值，使用规范法[18]和加权平均法[20]进行风速计算，然后在上一节内容的基础上，对风速取值进行比较和修正。

3.1 规范法

按照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)[18]的建议，根据中山市的风速资料，偏保守地选定桥址处为A类地表类型，得到不同重现期桥梁的设计基准风速Us10，具体见表1。

表1 不同重现期桥梁设计基准风速

3.2 加权平均法

一般而言，桥址处的地形条件与桥址附近气象站的场地条件有所区别，特别是山区地形下，因此需要考虑不同粗糙度和不同标准高度之间的换算。相邻不同场地且不同离地高度的风速均值换算可采用指数律方法[20]，如式(1)所示：

(1)

式中，U和Us为桥址处的风速和气象台的风速;z和zs为桥址处的基准高度和气象台的基准高度;zg和zsg为桥址处的边界层高度和气象台的边界层高度;α和αs为桥址处的幂指数和气象台风速观测的幂指数。

此外，当桥址处有3个或3个以上的气象台站时，可利用相邻若干测站的基本风速进行加权平均计算，得到桥址处现场基准高度处的设计基准风速。

考虑到加权因素比较复杂，简单起见，仅考虑桥址与风速测站之间的距离作为加权因素，一般采用如下加权平均方法[20]，如式(2)所示：

(2)

式中，m为桥址处气象台站的个数;x,x1,x2,xm,xi分别为桥址处、第1个气象站处、第2个气象站处、第m个气象站处、第i个气象站处的基准风速；η1,η2,ηm,ηi分别为第1个气象站处、第2个气象站处、第m个气象站处、第i个气象站处与桥址处的距离权重。设第i个气象台站与桥址处的距离为di(i=1,2,…,m)，则有：

(3)

按照设计院给出的3个站点100 a重现期的最大风速作为其基本风速，首先计算3个站点的距离权重，再依据风剖面服从幂指数律的关系，计算各站点的梯度风速，然后由加权平均的方法得到桥址处的梯度风速，最后换算到桥址处的设计风速[20]，具体见表2。

表2 桥址设计基准风速计算与修正

3.3 风速修正

根据桥址处地形模型风洞试验的试验结果，结合桥梁特点和抗风需求，偏安全地选取跨中的地表粗糙度系数为修正值，跨中处地表粗糙度系数α可取为0.116，小于A类地表规范值0.12，接下来使用试验结果来修正桥址处10 m高度处100 a重现期的设计基本风速Us10。

首先，对于规范法，当地表粗糙度系数α为0.116时，小于A类地表规范值0.12，按在A类～B类之间进行线性插值得到梯度风高度H1：

(4)

根据规范可得出该地区100 a重现期内的基本风速U10=32.80 m/s，再根据式(1)，两类地表的梯度风高度风速一致性可得：

(5)

U1s10=1.192 8U10,

(6)

U1s10=39.12 m/s,

(7)

式中，U1s10为换算的设计基准风速。

最后，对于加权平均法，当地表粗糙度系数α为0.116时，类似地得到桥址处修正的风速，如表2所示。

综上所述，通过规范法和加权平均法得到洪奇门特大桥桥址10 m高度处100 a重现期的桥梁设计基本风速，见表3，其中Us10采用规范A类地表粗糙度系数0.12，修正Us10采用地形模型风洞试验测定的地表粗糙度系数0.116。采用加权平均法得到的风速为43.98 m/s，比规范推荐风速高14.2%，两者相差较大，原因可能是附近测站的气象数据测量时间较短和地形更为平坦。通过地形模型试验得到的数据进行风速修正，得到的风速均比规范数值和加权平均数值高1.7%，分别为39.12 m/s和44.67 m/s，原因可能是桥址跨中处的地形特征比A类地表更为平坦。

表3 设计基准风速对比

经比较发现，加权平均法给出的数值过于保守，故在风速取值上不考虑加权平均法的结果。进一步考虑到地形模型风洞试验结果与规范推荐的幂指数分布规律吻合效果良好，偏保守地以跨中试验结果来修正规范法的风速值，故建议取洪奇门特大桥桥址10 m高度处100 a设计基准风速值为39.12 m/s。另外，本研究表明沿海开阔地区的风速标准可能需要进行修正。

4 非均匀地貌对地表粗糙度系数的影响

结合上一节内容可知，跨中地表粗糙度系数最小值为0.09，均值为0.116，两者均低于A类地表粗糙度系数0.12，导致跨中测点的修正风速比规范给出的风速提高1.7%；如果桥址处取B类地表，则100 a设计基准风速为32.80 m/s，风速将提高19.4%。鉴于此，提出地貌分块的概念，对桥址处的地形起伏程度、地貌特征，如建筑高度和密度、植被覆盖率等方面，将桥址处地貌进行分类分块。本研究计划从测点相对位置和小区域地形地貌特征的角度，借鉴第3节加权平均法的思路，初步探索沿海开阔地区局部地形地貌和相对位置对地表粗糙度系数的影响。

其基本步骤如下：

(1)根据地形等高线、地形分布特征等将其分为A(西南建筑)、B(中央水道)和C(东北树林)3个区域，如图6所示。

图6 地貌分块示意图

(2)计算3个小区域的面积，标定其形心位置，测量测点和形心之间的距离，如表5所示。

(3)根据规范建议，设定各小区域地形粗糙度指数初始值。

(4)使用加权平均法、式(2)、式(3)，分析测点相对位置和小区块面积的权重系数。

(5)以跨中测点和两侧桥塔测点的地表粗糙度系数计算值与试验值最小相对误差为目标值，确定测点地貌面积权重和测点相对位置权重，初步得到相对位置和局部地貌对地表粗糙度系数的影响，如图7所示。

图7 地貌权重与误差

由表4和图7可知，地貌权重与误差呈负线性相关关系，且当地貌权重为0.58，位置权重为0.42时，地貌粗糙度指数计算值与试验值相对误差最小，为0.01%。这说明在考虑地貌局部特征时，测点位置对地表粗糙度系数的影响也是不可忽略的，这也能较好地解释5个测点的地表粗糙度系数相差较大的原因。建议在后续研究中，对相关内容进行细化分析。

表4 地貌分块参数

5 结论

为了研究沿海开阔地区桥址处的风速空间分布规律，通过开展地形模型试验，主要得到以下结论：

(1)通过开展桥址区地形模型风洞试验，拟合试验数据，研究发现桥址处地表粗糙度系数分布较为集中，大部分地表粗糙度系数分布在A类地表～B类地表之间，说明在沿海开阔地区，地形平坦，几乎无遮挡，来流风向和测点位置对风速发展的影响较小。

(2)对比规范法和加权平均法，偏保守地选取跨中测点的地表粗糙度系数平均值进行风速修正，修正风速较传统风速增加1.7%，可给出较合理的桥址10 m高度处100 a重现期的设计基准风速。

(3)从地貌分块的角度，根据地貌面积权重和测点相对位置权重，定量分析局部地貌特征和测点相对位置对地表粗糙度系数的影响，地貌权重比位置权重高16%。