复杂地形桥位风场特性实测研究

薛亚飞

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

随着我国经济的发展，公路建设也发展迅速。大跨、特大跨径桥梁相继在我国各地建设完成。抗风问题对于大跨径桥梁非常重要。大跨径桥梁桥址处风场特性参数的确定对大跨径桥梁的设计风荷载以及抗风性能的评估有着非常重要的影响。如果大跨径桥梁桥址处地形较为复杂，则其桥址处的实际风场特性参数会和桥梁抗风规范中给出的出入很大，其经验参数不能真实反应桥址处实际的风场特性，从而不能正确地模拟桥址处风场。

我国桥梁抗风领域的研究方法主要有：风场实测、风洞实验和数值模拟，桥址的风场实测是桥梁抗风领域最为直接且有效的研究方法。本文以山西临猗黄河特大桥桥址处风场特性参数的获取为依托，来进行复杂地形桥址处的风场特性参数的实测研究。

1 风特性实测仪器以及风特性观测塔高度的确定

在风特性观测仪器以及观测塔高度确定前，对我国国内已建成的多座大桥桥址处风场实测系统进行了调研，其中，苏通长江大桥观测塔最高85m，各实测实例中常用风特性观测高度为10m、20m、30m、60m。根据国内风场特性实测经验，给出临猗黄特大桥桥址处观测塔塔高取85m，风特性观测高度取10m、30m、50m、80m。其中，10m高度和80m高度处安装了三维超声风速仪，10m、30m、50m高度处安装了二维机械式风速仪。

2 平均风特性

平均风的特性包括桥址处的基本风速、风速在高度方向上的分布规律以及主要风向等。根据《地面气象观测规范》的第19.5.2条规定对桥址处的实测数据进行处理得到平均风速。其中，月平均风速是以“天”为单位的子样本的数据进行处理得到各观测层的子样本的平均值，再对各观测层在该月的各天的平均值进行平均，从而得到该月份各观测层的风速的平均值。月极大风速是对每天的实测风速数据以3s为时距，1s为步长，对每个观测层的实测数据进行“滑动”平均计算，然后取各层风速数据每天的最大值，从而得到当天的极大风速，最后取每个月每天的极大风速的最大值作为该月的3s时距的极大风速。月最大风速是先对每天的实测风速数据以10min为时距，1min为步长进行“滑动”计算得到每天的10min最大风速，最后按照1个月为单位取当月最大值，作为该月10min时距月最大风速。

在气象学中，常采用风向玫瑰图的形式来表示风向发生的频率分布，即风向频率分布图。风向玫瑰图是基于某风场实测的风向的百分比绘制而成，一般用8或者16个罗盘方位进行表示，因为其形状像玫瑰花，所以称之为风向玫瑰图。风向玫瑰图可以直观的表达出样本数据的风速分布情况。

在附近无建筑物遮挡的开阔地域，其风速在竖直方向是沿着高度的增加逐渐增大的，风速随着高度的增高而增大的曲线称之为风速轮廓线。我国抗风规范中引入风剖面指数α来描述风速在高度上的变化规律。

通过对实测期间数据的处理得出临猗黄河特大桥观测塔处距离地面10m、30m、50m、80m处的平均风速分别为2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s。观测到的最大风速是18.3m/s，极大风速是23.1m/s，均出现在80m观测高度；桥址附近的风向主要以东北风为主风向。分别以10m和80m处的实测风速为基准风速推算得到观测塔处的风剖面指数为0.275和0.270，风速的垂直变化基本符合规范规定的幂指数规律分布。

3 脉动风特性

风的运动具有不规则的特性，风向和风速都是随着时间的变化而变化的。脉动风的特征参数包括阵风因子、紊流强度、紊流积分尺度以及功率谱等。下面通过对风速仪采集数据的分析处理得到临猗黄河特大桥桥址处的风场脉动风的特征参数。

阵风因子是表征脉动风脉动特征的参数之一，阵风因子为瞬时风速与平均风速的比值。通过对桥址处实测数据的分析处理，得到10m观测层处顺、横、竖风向的阵风因子平均值为：1.59、0.72、0.32，80m观测层处顺、横、竖风向的阵风因子平均值为：1.24、0.36、0.23。通过与李爱群、邓杨等人对润扬长江大桥处、武站科等人在上海金融环球中心上的实测风场的阵风因子的对比可以看出，阵风因子和风场的实际环境关系密切，所以对于不同的风场进行实测还是非常有必要的。

紊流强度是表征风的脉动强度的参数，其定义为10分钟时距脉动风风速的均方根与脉动风水平方向平均风速的比值。通过对桥址处实测数据的处理，得到桥址处10m观测层处顺、横、竖风向的紊流强度平均值分别为：0.25、0.18、0.13，其比值为1:0.73:0.54；80m观测层处顺、横、竖风向的紊流强度平均值分别为：0.12、0.1、0.09，其比值为1:0.88:0.73。桥梁抗风规范关于脉动风顺、横、竖风向的紊流强度推荐比值为1:0.88:0.5。规范中给出10m、80m高度处顺风向的紊流强度推荐值分别为0.17和0.13。本桥址处10m和80m高度处的实测紊流强度分别为0.25和0.12。10m高度处的紊流强度实测值高于规范推荐值，80m高度处的紊流强度实测值和规范推荐值接近，说明离地面较近时，地面对紊流强度的影响较为明显。

紊流积分尺度是表征气流中的紊流旋涡的平均尺度，紊流积分尺度的大小决定了脉动风对结构作用的影响范围。通过对实测数据的处理，得到桥址处10m观测层处顺、横、竖风向的紊流积分尺度平均值分别为：48.9m、35.8m、5.8m，80m观测层处顺、横、竖风向的紊流积分尺度平均值分别为：183.5m、111m、48.9m。桥梁抗风规范给出了10m和80m高度处横风向和竖风向的紊流积分尺度的基准值：10m高度处为50m和20m，80m高度处为140m和70m。通过与规范给出的基准值比较发现，临猗黄河特大桥桥址处的风场受周围环境的影响较大。

功率谱密度函数是表征平稳随机的过程中主要数字特征，它表示紊流中各个频率出现的概率的大小。我国的《公路桥梁抗风设计指南》中给出脉动风功率谱的计算方法为：Simiu谱和Panofysky谱。通过对桥址处实测数据的分析处理，得出10m和80m处顺、竖风向的脉动风的功率谱曲线与设计指南中推荐的功率谱拟合较好。10m和80m高度处的拟合结果相比较，80m高度处的功率谱的拟合程度要好于10m高度处的功率谱的拟合程度。

4 结语

通过对临猗黄河特大桥桥址处风场特性的实测研究，可以得出以下主要结论：

（1）临猗黄河特大桥桥址处平均风速基本服从幂指数规律分布，风剖面指数实测拟合值为0.27，介于规范推荐的C、D类地表之间。（2）10m高度处顺、横、竖风向的阵风因子平均值为:1.59、0.72、0.32，80m高度处顺、横、竖风向的阵风因子平均值为:1.24、0.36、0.23。（3）10m高度处的紊流强度实测值高于规范推荐值，80m高度处的紊流强度实测值和规范推荐值接近。（4）桥址处10m高度处顺、横、竖风向的紊流积分尺度平均值分别为：48.9m、35.8m、5.8m，80m高度处顺、横、竖风向的紊流积分尺度平均值分别为：183.5m、111m、48.9m。（5）10m和80m高度处顺、竖风向的脉动风的功率谱曲线与设计指南中推荐的Simiu谱和Panofysky谱拟合较好。