山区特大跨径桥梁桥址处风特性实测研究

刘文韬, 李 磊, 卫轶科, 黄 进, 韩坤林

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司, 重庆 400067)

我国西部地区以山地、高原、盆地为主,地形复杂且起伏大,该区域修建桥梁多需跨越山川沟谷,且跨度极大,悬索桥和斜拉桥成为建桥方案的首选。而索类桥梁的结构趋于柔性,其风敏感系数较大[1],西部地区同时受到季风和山地气候的影响,复杂多样的山区地形也致使桥位处风场特性的复杂性[2]。目前,国内外对山区桥址处风场特性的认识多限于某特定桥型,现行规范[3]将地表对风速减弱作用的影响类型界定为4类,未明确界定山地风场特征。因此,开展山区地形大跨径桥址区风场特性研究具有重要意义。

现场实测是把握风场特性最直接的方法之一[4]。目前众多学者对山区桥址处的实测风特性研究已取得一定成果。YU等[5]利用位于深切峡谷中在建桥梁实测风速风向数据,通过建立平稳模型与非平稳模型,分析了湍流强度、功率谱密度等风特性参数,结果表明实测功率谱与Von Karman经验谱吻合良好;张明金等[6]基于位于山区峡谷地形中的大渡河大桥桥址处实测风数据,研究了桥位处的平均风速、阵风因子等风特性,结果显示桥位处的阵风因子高于规范中对于常规平原的推荐值;庞加斌等[7]结合位于鄂西山区的四渡河峡谷大桥实测脉动风速时程数据,分析了该山区桥位的平均风速风向、湍流强度、阵风因子和功率谱等湍流特性,研究表明湍流强度随平均风速的增大而减小,山区峡谷风的湍流特性与规范推荐值差异较大;蔡向阳等[8]针对赤石大桥桥位的风特性进行了现场实测,对大风时段各测点的平均风速风向、湍流强度和阵风因子等风特性参数进行了分析,结果表明实测阶段桥位处风速存在突变现象,湍流强度、阵风因子的变化趋势基本一致。

目前,针对山区桥址处风场特性的研究仍不够充分,未达到指导该区域桥梁抗风设计的定量要求。为此,本文基于山区某跨江特大跨径悬索桥的结构健康监测系统,获取了该桥跨中16 h的风速风向数据,对其进行平均风特性及脉动风特性分析,并与规范值进行比较,以期为同类桥梁结构抗风设计提供依据。

1 工程概况

某特大跨径跨江桥梁位于我国西南山区,桥位地处河谷地貌,整体呈“U”字形,周边地形以低山、丘陵为主。桥址处两岸分别呈阶梯状和直线形,局部有陡崖。该桥为单跨双塔悬索桥,桥跨布置为(247+1 020+280)m,主梁采用流线型扁平钢箱梁。为实时把握桥梁结构的服役状态,该桥配备了结构健康监测系统,其主梁风速风向监测点位于跨中处。

为研究该山区桥址处风速的脉动特性,本文选取桥梁结构健康监测系统中机械风速风向仪所测近半年来数值最大的16 h风速时程值进行分析,风速风向测点位于主梁主跨跨中桥面处,其高程为240 m,测点布置如图1所示。在桥位风场实测过程中,规定以正北方向为0°,逆时针转动为正方向。纵风向为南北方向,以北为正,横风向为东西方向,以西为正。

单位:m

2 桥址区风场平稳性检验

平稳性检验是桥址区风场特性分析的基础操作,其目的是检查风速时程数据是否具有稳定的分布特征,并根据检验结果选用合适的风特性分析模型。其中轮次分析法是检验数据平稳特性的常用方法[9]。步骤如下:

2) 将连续出现的“+”和“-”记为一个轮次,将出现“+”的次数记为N1,出现“-”的次数记为N2,N=N1+N2,轮次总数为r;

3) 当数据量较大时,总轮次数r近似服从正态分布N(u,σ2),其中:

(1)

(2)

10 min时距纵向、横向脉动风速平稳性指数Z随时间的变化如图2所示,纵、横向脉动风速平稳性指数Z的统计参数如表1所示。由图2和表1可知,10 min时距纵向、横向脉动风速平稳性指数Z随时间未表现出明显规律,整体随机性较强,其中纵向、横向脉动风速非平稳数据占比分别为13%、30%,纵向、横向脉动风速平稳性指数Z最大值分别为4.30、5.49,其均值分别为0.96、1.55,说明横向脉动风速的非平稳性高于纵向脉动风速。综上,本文采集到大部分时段风速处于平稳状态,故后文对风速时程的脉动特性进行分析未采用非平稳数据处理方法。

(a) 纵向

(b) 横向

表1 平稳性指数统计参数

3 实测风特性分析

实测风特性分析为风致效应的估算提供了较精准的计算依据[10],其关键参数包括平均风速风向、湍流强度、阵风因子和功率谱密度等。

3.1 平均风速、平均风向

实测数据为风速和风向2个时程样本,风速时程u(t)具有纵向、横向分量,分别为ux(t)、uy(t),计算表达式如下:

ux(t)=u(t)cosφ(t)

(3)

uy(t)=u(t)sinφ(t)

(4)

式中:φ(t)为风向时程。

平均风速U和平均风向φ计算式如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

本文采用10 min基本时距得到平均风速U和平均风向角Φ,如图3所示。由图3可知,10 min时距平均风速在0.03 m/s～8.32 m/s范围内存在跳变波动,平均风向角保持平稳波动状态。

(a) 平均风速

(b) 平均风向

3.2 湍流强度

湍流强度是判定湍流强弱的指标,表示自然风中的脉动百分比,其表达式为:

(9)

式中:σi为脉动风速u(t)、v(t)的均方根;u、v为纵向、横向脉动风速分量。

湍流强度随平均风速变化及拟合情况如图4所示。由图4可知,各向湍流强度在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳,总体表现为随平均风速的增大而减小。纵向、横向湍流强度的各统计参数如表2所示。由表2可见,纵向湍流强度均值大于横向均值,两者比值为0.85,低于规范推荐值0.88。

3.3 阵风因子

阵风因子为阵风时距内的平均风速最大值与基本时距内平均风速之比,是设计最大阵风风速的依据之一。本文阵风时距为3 s,各向阵风因子表达公式如下:

(10)

(11)

各向阵风因子随平均风速的变化及拟合情况如图5所示。由图5可知,各向阵风因子在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳。各向阵风因子统计参数如表3所示。由表3可知,实测纵向阵风因子平均值为1.25,高于规范推荐值1.18,实测横向阵风因子平均值为0.19,实测纵向与横向阵风因子比值为1∶0.15。

(a) 纵向

(b) 横向

表2 各向湍流强度统计参数

(a) 纵向

(b) 横向

表3 各向阵风因子统计参数

3.4 湍流强度与阵风因子的关系

从图4、图5可见,湍流强度与阵风因子具有较高的相似度,近年来,众多学者对此进行了研究[11-13],并推导得到两者的关系式:

(12)

式中:T为平均风时距;tg为阵风时距;a、b为无量纲参数。Ishizaki[13]基于实测数据和理论推导得到了式(12)的各参数值,其中a取0.5,b取1.0。

纵向阵风因子随纵向湍流强度变化情况如图6所示。由图6可知,纵向阵风因子与湍流强度具有较强的相关性。基于实测结果,本文以10 min平均风时距、3 s阵风时距,对纵向湍流强度与同时段的阵风因子进行了回归计算,实测拟合曲线较Ishizaki推荐值偏小。拟合结果如表4所示。

图6 纵向湍流强度随实测纵向阵风因子变化

表4 实测湍流强度与阵风因子拟合

3.5 功率谱

脉动风功率谱可描述脉动能量在不同尺度涡旋中的分布状况,是判断脉动强度的重要手段[14]。Von Karman谱[15]是由Von Karman基于湍流各向同性理论建立的,表达式如下。

(13)

(14)

本文采用莫宁坐标对纵向、横向实测功率谱进行无量纲处理,并与Von Karman经验谱进行对比分析,结果如图7所示。由图7可知,纵向、横向实测功率谱在低频区逐渐增大,在高频区逐渐减小。纵、横向实测谱在低频区均低于Von Karman经验谱,在高频区与经验谱较为吻合。整体上看,Von Karman经验谱能够描述实测数据的脉动特性。

(b) 横向

4 结论

通过对山区特大跨径桥梁风场的平均风速、平均风向、湍流强度、阵风因子、功率谱等实测风特性进行分析,并与规范推荐值比较,得到以下结论:

1) 各向脉动风速平稳性指数Z随时间未表现出明显规律,横向脉动风速的非平稳性高于纵向脉动风速。大部分风速数据为平稳样本;实测风速时程平均风速具有跳变波动,但平均风向保持平稳。

2) 各向湍流强度在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳。纵向湍流强度均值大于横向均值,两者比值为0.85,低于规范推荐值0.88。

3) 各向湍流强度在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳,实测纵向阵风因子平均值为1.25,高于规范推荐值1.18。

4) 纵向阵风因子与纵向湍流强度具有较强的相关性,实测拟合曲线较Ishizaki推荐值偏小。

5) 纵向、横向功率谱值在低频区逐渐增大,在高频区逐渐减小。Von Karman经验谱能够描述实测数据的脉动特性。