高海拔高温差高温差连续刚构桥桥址区风特性实测研究

高海拔高温差高温差连续刚构桥桥址区风特性实测研究

0研究对象选取峡谷区的风特征与平原区相比有很大不同。由于峡谷区地形的不同和桥梁区高度的差异，相关风特征会发生变化。现场调查是有效的风特征研究方法。本文选取大渡河大桥桥址区作为研究对象,该桥址区河谷两侧山峰海拔均超过5000m,山峰至河谷底的海拔相差超过3500m。河谷两侧山顶均有终年不化的积雪,较为寒冷,而河谷底部属于典型的干热河谷,温暖干燥。为确定大桥桥址区风特性,采用MFAS型相控阵声雷达风廓线仪和CAWS600-RT型四要素自动气象站对桥址区的风特性进行了现场实测,分析了桥位处的平均风速、阵风系数、风攻角、风剖面等风特性,相关研究成果对其他类似工程具有借鉴价值。1桥前风廓线仪安装大渡河大桥位于四川省西部的泸定县境内,大桥距离泸定县城约5km。大桥桥位处的峡谷接近南北方向,为典型的U形峡谷地形。桥面设计高程为1608m,距离大渡河沟底约300m,同时连接桥梁两端的均是陡峭的山脉,桥轴线向康定侧延伸10km后,地面海拔高度由桥位处的1608m升高至5000m左右,桥轴线向雅安侧延伸5km后,地面海拔高度由桥位处的1608m升高至3700m左右,可以看出桥位处呈现明显的深切峡谷特性。根据大桥所处的位置走向以及桥位附近的地形特点,在桥位处安装了1套四要素自动气象站和1套MFAS型相控阵声雷达风廓线仪系统。四要素自动气象站位于大桥的纵向中心轴线上,安装位置距离桥面78m。MFAS型相控阵声雷达风廓线仪位于大桥的下游约500m处,向大桥跨中偏离康定侧桥塔约300m,风廓线仪的海拔高度为1399m,距离桥面209m,风廓线仪所处位置远离城市和人员聚集区,噪声对测量的影响较小。2套仪器安装平面图和立面图分别见图1(a),(b)。四要素自动气象站能够监测站点处3s,2min,10min时的平均风速和风向,同时能够观测站点处的实时温度和降雨情况,该系统的采样频率为1Hz。风廓线仪能够测量3个方向上的风速竖向剖面、风向竖向剖面及紊流度竖向剖面。2套观测仪器的观测精度和量程见表1。2数据处理和分析2.1平均风速2.1.1风速最工程抗风计算中比较关注较大风速的持续作用,对1年来桥位处的10min平均风速进行了统计。统计表明桥位处6级(10.8m·s2.1.2劳动时段风速典型大风天10min平均风速的变化见图2。从图2中可以看出:每天凌晨至中午时间段内的风速较小,下午及上半夜风速较大。大桥桥位处的风速表现出以天为周期的规律性波动。为进一步分析桥位处每天的起风规律,对观测时间段内10min平均风速大于5.0m·s2.1.3桥位下的大风为考察风速以天为周期出现规律性波动的原因,图4(a),(b)分别给出了冬季和夏季典型大风天10min平均风速与温度的变化趋势。从图4可看出:热力作用是大渡河大桥桥位处地面大风形成的一个重要因素。一般在没有较强的天气系统影响时,桥位区域早晨、上午及夜间常吹河谷风,风速较小。在上午晴朗少云的天气下,午后常出现东南方向的大风,这是由于太阳照射对桥位处东南侧、北侧不规则山体表面辐射增温随时间变化不均匀,致使各个山坡面、山顶、山谷底部出现较大的温度变化和气压梯度。具体表现为上游河谷在17点以后阳光仍然可以直射,而此时在桥位处已经不能被阳光照射,现场实测表明桥位处同一时刻温度比上游河谷低3℃~5℃。在桥位下游5km处为泸定县城,县城内水泥路面、建筑物等较多,在整个白天的日照过程中吸收的热能也较多,并且混凝土散热较慢使得泸定县城出现一定的热岛效应,可导致桥位处同一时刻温度也比下游河谷低2℃~4℃。在该热力温差的驱动下,河谷这种非均匀下垫面在其热力、动力共同作用下导致山谷内形成不稳定的扰动气流,从而形成以天为周期的大风,从图4(b)可以看出该类大风在夏季表现得更加明显。从以上分析中可以看出,桥位处由于受热力驱动,小尺度局部大风(定义为Ⅱ类风)基本上每天都存在,但是风速不会太大,其最大风速一般在10m·s2.2采用概率统计法阵风系数是考虑到瞬时风速较平均风速大而乘的系数,在风特性实测过程中,常通过采用一定时段内极大风速与最大风速的比值做概率统计而得出。本文以天为时间段采用概率统计法分析大桥桥位处的阵风系数。概率统计法得到的高斯概率分布见图5。从图5可知:阵风系数的概率统计均值为1.57,标准差为0.24。当保证率为95%时阵风系数为1.97,其数值比《桥梁抗风设计规范》中D类地表的阵风系数推荐值略大。风速对阵风系数的影响见图6。从图6可知:阵风系数随风速增加先增大后减小,表明阵风系数与风速存在着一定的相关性,但是相关性并不明显。2.3风剖面和扰动剖面2.3.1地表粗糙度系数概率分布假定桥位处风剖面大气边界层内风速沿竖直高度的分布服从幂指数规律,因此桥址区的风速剖面可由式(1)表示,即式中:V选择桥面设计高度处平均风速大于10m·s统一拟合法的平均风剖面如图7所示。由图7可知:一次拟合的地表粗糙度系数为0.23。从实测点的分布规律可以发现在高度为210m处有一个明显的回头折线效应,故以高度为210m对所测数据进行分段拟合,拟合结果表明高度210m以下的地表粗糙度系数为0.33,在210m高度以上的地表粗糙度系数为0.05,表明桥位处低空风剖面受地面影响较大,当超过一定高度后影响突然减弱,这种具有明显折线规律的风剖面和常规平原地区的风剖面有较大区别。独立拟合后的地表粗糙度系数概率分布情况如图8所示。从图8可以看出,地表粗糙度系数基本服从高斯分布,对其进行高斯拟合得到的地表粗糙度系数均值为0.25,标准差为0.17。对比2种拟合方法可以发现,一次拟合和独立拟合后的地表粗糙度系数结果基本一致,其数值均介于《桥梁抗风设计规范》中C类地表和D类地表之间,但分段拟合后低空的地表粗糙度系数达到0.33,要大于D类地表的地表粗糙度系数。2.3.2桥面高度处水平风速5.2模型实测采用的MFAS型相控阵声雷达风廓线仪可同时得到紊流度沿高度方向的剖面,选取桥面设计高度处水平风速大于10m·s桥面高度处U方向(主方向)、V方向(次方向)、W方向(竖向)3个方向紊流度均值分别为18.3%,14.5%,9.3%,其比值为1.00∶0.79∶0.51。图9为桥位处U,V两个水平方向的紊流度I2.4地面风速和风向风攻角随高度的变化如图10所示。从图10可以看出,桥位处风攻角的数值虽然比较离散,但是随着海拔高度的增加,风攻角的离散范围和风攻角的绝对值均有减小的趋势。较大的风攻角主要集中在离地高80m以下的低空,这是由于低空风速较小,受地形影响较大,低空风向较为紊乱造成攻角分布较离散。随着高度的增加,风速不断增大,且山谷也变得相对开阔,地形的影响逐渐减小,因此风攻角的散布范围也变窄。桥位处风攻角均值随高度的增加由正攻角转为负攻角,在高度150~300m之间时,风攻角均值趋于1个稳定值。现场多次实测和观测表明负攻角偏多的原因是由于大桥位于深切峡谷中较底部的位置,桥位处的来流主要是由两岸雪山和谷底之间的温差形成的山风,山风大部分是从上往下流动,从而使得桥位处的风攻角以负攻角居多。桥面设计高度处风攻角的概率统计如图11所示。由图11可以看出:风攻角大多分布在-12°~6°之间,负攻角的情况要多于正攻角。风攻角的概率统计均值为-4.46°,标准差为5.9。3地面和地面风攻角对比(1)高海拔高温差深切峡谷桥址区的风环境恶劣,实测I类大风最大风速达到29.6m·s(2)桥位处保证率为95%时的阵风系数为1.97,其数值较《桥梁抗风设计规范》中D类地表对应的推荐值略大。低空风剖面受地面影响较大,当超过一定高度以后这种影响明显减弱,桥位处低空的地表粗糙度系数达