壩陵河峽谷自然風風特性實測研究

0研究對象和概況隨著橋梁大規模靈活的發展，結構振動頻率降低，對風的敏感性提高。風負荷是大型跨橋設計的主要控制負荷。為了研究橋梁結構在風荷載作用下的氣動性能,確保橋梁安全,就必須準確確定橋址處的風場特性,為橋梁抗風設計與檢驗提供可靠依據。這些風特性主要包括脈動風特性如紊流強度、紊流積分尺度、功率譜密度函數等。而掌握某地區風特性的有效方法,就是對該地區進行大量風實測,得到合適的經驗模型和統計數據。在過去的20多年里,一些風工程研究發達的國家已經建立了本地區的風特性數據庫壩陵河位于貴州省西南部,屬珠江水系北盤江流域,北部為石山山原山地和盆地,海拔較高,地形起伏較大;南部為低中山,低山丘陵。區內河流切割侵蝕強烈,地形破碎,巖溶發育明顯,坡度大,地表常處于干旱缺水狀況。按照氣候帶的劃分標準,該地區為典型的中亞熱帶季風濕潤氣候區,多云寡照,四季分明,具有溫和、春干夏雨的氣候特點。大橋地處高山峽谷之間,橋位處的山地氣象條件與河流、平原地區存在明顯差異。與沿海和平原地區風速相比,山區峽谷陣風強烈、頻繁,湍流強度大,非平穩特性突出。大橋為國內首座單跨超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋,主跨1088m。大橋跨越壩陵河峽谷,結構跨度大、結構自振頻率低,對風的作用非常敏感,運營和施工中的抗風安全是壩陵河大橋設計的一項控制因素。因而需要開展橋位處山區峽谷自然風風場特性、風參數的實測研究工作,為其抗風設計提供合理的風參數。由于機械風速儀的采樣頻率較低,因此,紊流風特性的分析是基于超聲風速儀于2006年7月至2007年6月這一年內的有效記錄數據展開的。圖1給出了在壩陵河大橋橋位處測得的典型強風樣本的風速時程曲線,從圖中可以看出,峽谷風的脈動強度較平原地區的脈動強度為大,表現出較大的不平穩性。1陣風因子隨風速的變化特征,主要分為3.風的脈動強度也可以用陣風因子(1)這里:=max(其中:這樣,陣風因子可按下式計算:(4)圖2為根據觀測得到的樣本數據得到陣風因子與10min平均風速的關系圖,表1為不同風速范圍陣風因子的散布區間和平均值,其中實測數據只考慮平均風速不低于1.5m/s的情況。從圖2和表1可見,和風攻角與平均風速的關系類似,陣風因子數值的離散度也較大,而且其離散度同樣是隨著風速的增加而降低。最大陣風因子為3.75,對應的風速為1.84m/s,最小陣風因子為1.05,對應的風速為1.97m。在風速達到7m/s左右前,各風速區間陣風因子的平均值隨著風速的增加有下降的趨勢;當風速達到7m/s左右后,各風速區間陣風因子的平均值隨著風速的增加有上升的趨勢,但是,總體上看,各風速區間陣風因子的平均值隨風速增加而變化的幅度不是太大,在1.3～1.6之間變化。在考慮平均風速大于1.5m/s的全部實測數據的情況下,陣風因子的平均值為1.50,而只考慮平均風速大于8m/s的實測數據時,陣風因子的平均值為1.45。在考慮風速大于1.5m/s的全部數據的情況下,陣風因子在1.4左右的發生概率最大。當平均風速大于4m/s時,陣風因子大概在1.09～3.14之間變化,發生概率最大的值仍然是1.4左右。平均風速大于6m/s時,陣風因子在1.05～2.2之間變化,發生概率最大的值是1.3左右。平均風速大于8m/s時,陣風因子在1.1～2.1之間變化,發生概率最大的值是1.2～1.6之間。平均風速大于9m/s時,陣風因子在1.2～2.1之間變化,發生概率最大的值是1.2～1.7之間。平均風速大于10m/s的情況只出現3三次,陣風因子在1.3～2.1之間變化,分別為1.34、1.66和2.04。總體上看,壩陵河大橋橋位處峽谷中的陣風因子較平原地區為大。限于篇幅,僅畫出2脈動風速功率誤差的相關性脈動風速的根方差表征了紊流中風速脈動的強度,有時也被稱為絕對的紊流強度。然而,在實際應用中往往用無量綱的相對紊流強度來表征紊流中風速的脈動強度,它定義為標準時距內脈動風速根方差與平均風速之間的比值:(5)式中:圖4～圖6分別給出了在壩陵河大橋橋位處峽谷中測得的順風向紊流度從圖4～圖6和表2中可以看到,與陣風因子的特點相似,各方向的紊流度實測數值的離散度很大,且低風速時的紊流度要大于高風速時的紊流度。隨著風速的增加,各方向的紊流度值及其離散程度都成下降趨勢。當平均風速在2m/s左右時,當平均風速超過4m/s時,圖8為水平橫風向與順風向紊流度之間的比值(從表3中還可以看到,從總體上講,圖9是3紊流積分尺度通過空間某一點的氣流的速度脈動可以看作由平均風所輸送的一些不同尺度的漩渦的疊加,每個漩渦在該點上引起周期性風速脈動。紊流積分尺度就是度量氣流中各種漩渦沿某一指定方向平均尺寸的一個指標。由于漩渦的三維特性,對應的三個脈動風速和空間的三個方向,共有9個紊流積分尺度:=∫式中:根據式(6),計算紊流積分尺度必須在足夠大的空間內的足夠多的點上同步測量脈動風速,這在實際上是不可能實現的。在實際應用中,一般要引入Taylor的“渦流凍結傳輸”假說,即假設紊流中的漩渦是不衰減地以平均風速向下游傳輸。根據Taylor假定,沿順風向==∫式中:自協方差函數(式中:雖然,在第一零點以后,擬合曲線基本為零,與實際曲線之間的絕對偏差可能較大,但它們與=1/由于時間旋渦在隨平均風運動過程中是有一定衰減的,因此,上述基于Taylor的“渦流凍結傳輸”假說的紊流積分尺度的計算方法是近似的,而且顯然只能用來計算順風向的紊流積分尺度,而無法用來計算沿水平橫風向大氣邊界層的紊流積分尺度通常會在較大范圍內發生波動。本研究中取10min為基本時距,采用自相關函數積分法計算了橋址區長期的紊流積分尺度,得到壩陵河橋址區基于長期觀測數據的順風向脈動風速由計算結果可知,4脈動風速譜公式的擬合山區峽谷地形主要改變了大氣紊流的低頻脈動成分,在高頻段(慣性區)仍然符合“-5/3律”。首先,從62.6m觀測塔超聲風速儀記錄的數據中選取了26個平均風速大于8m/s的脈動風樣本。然后采用FFT方法計算了這些樣本的順風向、水平橫風向和豎向脈動風速的功率譜,并按下面公式進行了譜曲線擬合:(11)=式中:下標(13)0<實際擬合時采用了兩種方法:第一種簡稱為:“統一擬合法”,即把26個樣本中所有約化譜圖12顯示了所選26個樣本的脈動風譜實測結果(圖中的空心小方塊)和用“統一擬合法”得到的擬合曲線(圖中的黑色實線),以順風向脈動風速譜為例,橫向和豎直方向的脈動風速譜就不在此畫出,脈動風速譜擬合公式如下:順風向脈動風速譜:(15)橫向脈動風速譜:(16)豎直方向脈動風速譜:(17)各個樣本脈動風速譜公式參數的擬合結果以及所有樣本參數的平均值在此就不再一一列出。經過分析可知,采用兩種方法得到的脈動風速譜參數在數值上雖有一定的差別,但相應的脈動風速譜曲線偏差不明顯。此外還對《公路橋梁抗風設計規范》中建議的公式進行了比較,其中在圖12中用藍色點劃線把在《公路橋梁抗風設計規范》中建議的如式(18)所示的順風向脈動風譜(Simiu譜)畫于圖中,還對規范中如式(19)所示豎向脈動風速譜(Panofsky譜)進行了比較。規范中沒有對水平向脈動風速譜作出建議,這里把相應的如式(20)所示Simiu譜也作了比較。順風向脈動風Simiu譜:(18)豎向脈動風速Panofsky譜:(19)水平橫風向脈動風速Simiu譜:(20)這里,;其中:=從圖12可見,對應順風向脈動風速譜,《公路橋梁抗風設計規范》中采用的Simiu經驗公式在低頻區高于根據實測數據擬合的結果,而在高頻區則要明顯小于擬合結果。對于水平橫風向脈動風速譜,Simiu建議的經驗公式在整體上要小于基于實測數據的擬合結果。對于豎向脈動風速譜,規范中采用的Panofsky經驗公式在整體上要顯著小于基于實測數據的擬合結果。上述分析結果顯示,壩陵河峽谷中的紊流脈動風速譜要比平原地貌的脈動風速譜要大,規范中建議的經驗公式不適用于山區地貌,并且偏于不安全。5壩陵河大橋橋面陣風因子的年際變化通過對壩陵河大橋橋位處峽谷地貌的自然風紊流特性的實測與分析研究,可以得到如下結論:(1)與平原地貌相比,峽谷中自然紊流風的風速脈動強度要高一些,造成其陣風因子、紊流強度和脈動風速譜都要高于平原地貌的值。(2)平均風速大于8m/s時,陣風因子在1.1～2.1之間變化,發生概率最大的值在1.2～1.6之間,平均值為1.45。(3)當平均風速大于8m/s時,發生概率最大的