南广铁路西江大桥桥位风场特性实测研究

南广铁路西江大桥桥位风场特性实测研究

1铁路江大桥风环境监测系统概述了解结构材料所在地的近风特性，是结构材料抗风设计和检验的基本前提。本文以肇庆南广铁路西江大桥为工程背景,依据大桥风环境监测子系统,提取了系统自安装日到2015年6月全天候风环境监测数据,从平均风特性和脉动风特性两方面进行研究,得到了基于桥址区复杂地形的风场特性,研究成果可为大桥运营阶段的行车安全性提供指导。2桥面风环境概况南广铁路西江大桥位于广东省肇庆市,为拱脚中心距450m的钢箱提篮拱桥。孔跨布置为(41.2+50+386+50+49.1+32)m,矢跨比为1/4,桥面距拱顶73.5m,拱肋为钢结构,桥面系采用结合梁体系。桥位处风环境复杂,广东肇庆位于亚热带季风区,受南海海洋气流影响,是台风活动侵袭经过的地区;大桥又地处“西江三峡”三榕峡附近,受两侧山体影响,大桥遭受峡谷风可能性较大。3试验平台及安装范围西江大桥风环境监测子系统采用4台英国Gill公司的Windsonic型二维超声风速仪,分别布置于上游南宁侧(1号,距跨中270m)、跨中(2号)、上游广州侧(3号,距跨中291m)、拱顶(4号,距桥面73.53m),风速仪编号及具体布置如图1所示。为排除吊杆与拱肋对风场的影响,安装风速仪时均将高出桥面与拱顶3m的镀锌钢管固定于栏杆之上,其中跨中风速仪安装于跨中航标平台,横桥向距离桥面1.5m(见图2)。Windsonic风速测试范围为0~60m/s,量程精度±2%;风向测试范围0°~359°,精度±3°。风速仪采用全天候工作模式,采集频率1Hz。4风属性统计方法4.1平均风速的计算首先对采集到的原始数据进行预处理,剔除数据样本中的野点干扰。以10min为时距对所有数据进行样本分割,计算10min时距内的平均风速。为保证计算分析的可靠性,排除了10min平均风速小于4m/s(大约相当于阵风5级以上)的风速样本。4.2终身教育的比较利用矢量分解法由图3~图5可知,跨中风速主要集中在3.5~5.5m/s,最大值为10.33m/s,最小值为2.93m/s,平均值为5.08m/s。10min时距日最大风速多出现在NW、NNW和N三个方向,频率分别为25.66%、18.42%和17.76%,且跨中日最大平均风速呈现非高斯分布。4.3拱顶湍流强度湍流强度和阵风因子为比较不同高度处脉动风特性,跨中桥面高度处和拱顶高度处的湍流强度与阵风因子概率分布如图6、图7所示。由图6可知,跨中桥面湍流强度离散性较小,纵向湍流强度主要集中在[0.069,0.344],平均值为0.174;横向湍流强度集中在[0.044,0.306],平均值为0.176。实测纵向湍流强度平均值略大于规范相对跨中湍流强度,拱顶处湍流度概率分布相对较为分散,其湍流强度纵向平均值为0.302,横向为0.224。由于桥位地形风场被打散为很多小的漩涡,增加了拱顶处的湍流强度。拱顶湍流强度纵向与横向值均大于跨中值,因此,湍流强度并不随高度的增加而减小。由图7可知,拱顶阵风因子概率分布也较为分散。数值上,拱顶阵风因子纵向平均值为1.56,横向平均值为0.40。拱顶处纵向与横向阵风因子值也大于跨中值,说明拱顶处脉动特性更强,分析结果与湍流强度分析一致。跨中湍流强度纵向、横向分量之间相关性如图8所示。由图8可知,纵向湍流强度分量I湍流强度与10min平均风速、阵风因子间的相关性如图9所示。由图9可知,湍流强度随着平均风速的增大而减小。即表征平均风速越大,风的脉动特性越弱,反之风越平稳。尽管湍流强度与阵风因子为2个不同的脉动风特性参数,但仍然具有一定的相关性,阵风因子随着湍流强度的增大呈增大趋势。4.4存在的相关性积分尺度由图10可知,跨中实测积分尺度概率分布较为集中,纵向积分尺度L同样,积分尺度与其它脉动参数也存在一定的相关性。跨中积分尺度与其10min平均风速和湍流强度间相关性如图11所示。由图11可知,积分尺度随平均风速增大呈增大趋势,相反随湍流强度增加呈减小趋势,相对横向分量,纵向分量趋势更明显。表明风速越小,湍流强度相应越大,风场中的大漩涡被分解为一系列小涡,使得风场的脉动特性主要受小尺度漩涡影响。4.5拱顶脉动风功率谱分布功率谱运用Welch法由图12可知,实测跨中与拱顶功率谱在高频段均与Kaimal谱吻合较好,而在低频段(小于0.01Hz)拱顶脉动风功率谱比跨中吻合更好,且跨中脉动风功率谱在低频段普遍低于Kaimal谱。4.6点位置风速相关目前,风速空间相关性的研究通常采用Davenport式中,n为频率;C脉动风速空间相关性着重描述不同测点位置风速的相关程度,现有桥梁设计中一般偏保守认为风荷载沿桥梁展向是完全相关的跨中与拱顶脉动风空间相关性与Davenport公式计算结果对比如图13所示。由图13可知,实测风速沿桥梁竖向相关系数较小,属于弱相关。与Davenport公式计算值对比可知,实测值在高频段大于计算值,而在低频段,计算值小于实测值。5实测湍流特征分析针对南广铁路西江大桥桥位处的地形特征,展开了桥位处良态风的持续观测,并通过对实测数据的分析,得到以下结论。(1)受地形影响,大桥桥位处日最大10min平均风速呈现非高斯分布,且湍流强度、阵风因子并不随高度变化而减小,相反表现为拱顶脉动风特性高于跨中的特征。(2)实测湍流强度、积分尺度平均值均大于规范推荐值。而纵向脉动风功率谱在高频段与Kaimal吻合较好,而在