坝陵河峡谷自然风风特性实测研究

坝陵河峡谷自然风风特性实测研究

0研究对象和概况随着桥梁大规模灵活的发展，结构振动频率降低，对风的敏感性提高。风负荷是大型跨桥设计的主要控制负荷。为了研究桥梁结构在风荷载作用下的气动性能,确保桥梁安全,就必须准确确定桥址处的风场特性,为桥梁抗风设计与检验提供可靠依据。这些风特性主要包括脉动风特性如紊流强度、紊流积分尺度、功率谱密度函数等。而掌握某地区风特性的有效方法,就是对该地区进行大量风实测,得到合适的经验模型和统计数据。在过去的20多年里,一些风工程研究发达的国家已经建立了本地区的风特性数据库坝陵河位于贵州省西南部,属珠江水系北盘江流域,北部为石山山原山地和盆地,海拔较高,地形起伏较大;南部为低中山,低山丘陵。区内河流切割侵蚀强烈,地形破碎,岩溶发育明显,坡度大,地表常处于干旱缺水状况。按照气候带的划分标准,该地区为典型的中亚热带季风湿润气候区,多云寡照,四季分明,具有温和、春干夏雨的气候特点。大桥地处高山峡谷之间,桥位处的山地气象条件与河流、平原地区存在明显差异。与沿海和平原地区风速相比,山区峡谷阵风强烈、频繁,湍流强度大,非平稳特性突出。大桥为国内首座单跨超过千米的钢桁加劲梁悬索桥,主跨1088m。大桥跨越坝陵河峡谷,结构跨度大、结构自振频率低,对风的作用非常敏感,运营和施工中的抗风安全是坝陵河大桥设计的一项控制因素。因而需要开展桥位处山区峡谷自然风风场特性、风参数的实测研究工作,为其抗风设计提供合理的风参数。由于机械风速仪的采样频率较低,因此,紊流风特性的分析是基于超声风速仪于2006年7月至2007年6月这一年内的有效记录数据展开的。图1给出了在坝陵河大桥桥位处测得的典型强风样本的风速时程曲线,从图中可以看出,峡谷风的脉动强度较平原地区的脉动强度为大,表现出较大的不平稳性。1阵风因子随风速的变化特征,主要分为3.风的脉动强度也可以用阵风因子(1)这里:=max(其中:这样,阵风因子可按下式计算:(4)图2为根据观测得到的样本数据得到阵风因子与10min平均风速的关系图,表1为不同风速范围阵风因子的散布区间和平均值,其中实测数据只考虑平均风速不低于1.5m/s的情况。从图2和表1可见,和风攻角与平均风速的关系类似,阵风因子数值的离散度也较大,而且其离散度同样是随着风速的增加而降低。最大阵风因子为3.75,对应的风速为1.84m/s,最小阵风因子为1.05,对应的风速为1.97m。在风速达到7m/s左右前,各风速区间阵风因子的平均值随着风速的增加有下降的趋势;当风速达到7m/s左右后,各风速区间阵风因子的平均值随着风速的增加有上升的趋势,但是,总体上看,各风速区间阵风因子的平均值随风速增加而变化的幅度不是太大,在1.3～1.6之间变化。在考虑平均风速大于1.5m/s的全部实测数据的情况下,阵风因子的平均值为1.50,而只考虑平均风速大于8m/s的实测数据时,阵风因子的平均值为1.45。在考虑风速大于1.5m/s的全部数据的情况下,阵风因子在1.4左右的发生概率最大。当平均风速大于4m/s时,阵风因子大概在1.09～3.14之间变化,发生概率最大的值仍然是1.4左右。平均风速大于6m/s时,阵风因子在1.05～2.2之间变化,发生概率最大的值是1.3左右。平均风速大于8m/s时,阵风因子在1.1～2.1之间变化,发生概率最大的值是1.2～1.6之间。平均风速大于9m/s时,阵风因子在1.2～2.1之间变化,发生概率最大的值是1.2～1.7之间。平均风速大于10m/s的情况只出现3三次,阵风因子在1.3～2.1之间变化,分别为1.34、1.66和2.04。总体上看,坝陵河大桥桥位处峡谷中的阵风因子较平原地区为大。限于篇幅,仅画出2脉动风速功率误差的相关性脉动风速的根方差表征了紊流中风速脉动的强度,有时也被称为绝对的紊流强度。然而,在实际应用中往往用无量纲的相对紊流强度来表征紊流中风速的脉动强度,它定义为标准时距内脉动风速根方差与平均风速之间的比值:(5)式中:图4～图6分别给出了在坝陵河大桥桥位处峡谷中测得的顺风向紊流度从图4～图6和表2中可以看到,与阵风因子的特点相似,各方向的紊流度实测数值的离散度很大,且低风速时的紊流度要大于高风速时的紊流度。随着风速的增加,各方向的紊流度值及其离散程度都成下降趋势。当平均风速在2m/s左右时,当平均风速超过4m/s时,图8为水平横风向与顺风向紊流度之间的比值(从表3中还可以看到,从总体上讲,图9是3紊流积分尺度通过空间某一点的气流的速度脉动可以看作由平均风所输送的一些不同尺度的漩涡的叠加,每个漩涡在该点上引起周期性风速脉动。紊流积分尺度就是度量气流中各种漩涡沿某一指定方向平均尺寸的一个指标。由于漩涡的三维特性,对应的三个脉动风速和空间的三个方向,共有9个紊流积分尺度:=∫式中:根据式(6),计算紊流积分尺度必须在足够大的空间内的足够多的点上同步测量脉动风速,这在实际上是不可能实现的。在实际应用中,一般要引入Taylor的“涡流冻结传输”假说,即假设紊流中的漩涡是不衰减地以平均风速向下游传输。根据Taylor假定,沿顺风向==∫式中:自协方差函数(式中:虽然,在第一零点以后,拟合曲线基本为零,与实际曲线之间的绝对偏差可能较大,但它们与=1/由于时间旋涡在随平均风运动过程中是有一定衰减的,因此,上述基于Taylor的“涡流冻结传输”假说的紊流积分尺度的计算方法是近似的,而且显然只能用来计算顺风向的紊流积分尺度,而无法用来计算沿水平横风向大气边界层的紊流积分尺度通常会在较大范围内发生波动。本研究中取10min为基本时距,采用自相关函数积分法计算了桥址区长期的紊流积分尺度,得到坝陵河桥址区基于长期观测数据的顺风向脉动风速由计算结果可知,4脉动风速谱公式的拟合山区峡谷地形主要改变了大气紊流的低频脉动成分,在高频段(惯性区)仍然符合“-5/3律”。首先,从62.6m观测塔超声风速仪记录的数据中选取了26个平均风速大于8m/s的脉动风样本。然后采用FFT方法计算了这些样本的顺风向、水平横风向和竖向脉动风速的功率谱,并按下面公式进行了谱曲线拟合:(11)=式中:下标(13)0<实际拟合时采用了两种方法:第一种简称为:“统一拟合法”,即把26个样本中所有约化谱图12显示了所选26个样本的脉动风谱实测结果(图中的空心小方块)和用“统一拟合法”得到的拟合曲线(图中的黑色实线),以顺风向脉动风速谱为例,横向和竖直方向的脉动风速谱就不在此画出,脉动风速谱拟合公式如下:顺风向脉动风速谱:(15)横向脉动风速谱:(16)竖直方向脉动风速谱:(17)各个样本脉动风速谱公式参数的拟合结果以及所有样本参数的平均值在此就不再一一列出。经过分析可知,采用两种方法得到的脉动风速谱参数在数值上虽有一定的差别,但相应的脉动风速谱曲线偏差不明显。此外还对《公路桥梁抗风设计规范》中建议的公式进行了比较,其中在图12中用蓝色点划线把在《公路桥梁抗风设计规范》中建议的如式(18)所示的顺风向脉动风谱(Simiu谱)画于图中,还对规范中如式(19)所示竖向脉动风速谱(Panofsky谱)进行了比较。规范中没有对水平向脉动风速谱作出建议,这里把相应的如式(20)所示Simiu谱也作了比较。顺风向脉动风Simiu谱:(18)竖向脉动风速Panofsky谱:(19)水平横风向脉动风速Simiu谱:(20)这里,;其中:=从图12可见,对应顺风向脉动风速谱,《公路桥梁抗风设计规范》中采用的Simiu经验公式在低频区高于根据实测数据拟合的结果,而在高频区则要明显小于拟合结果。对于水平横风向脉动风速谱,Simiu建议的经验公式在整体上要小于基于实测数据的拟合结果。对于竖向脉动风速谱,规范中采用的Panofsky经验公式在整体上要显著小于基于实测数据的拟合结果。上述分析结果显示,坝陵河峡谷中的紊流脉动风速谱要比平原地貌的脉动风速谱要大,规范中建议的经验公式不适用于山区地貌,并且偏于不安全。5坝陵河大桥桥面阵风因子的年际变化通过对坝陵河大桥桥位处峡谷地貌的自然风紊流特性的实测与分析研究,可以得到如下结论:(1)与平原地貌相比,峡谷中自然紊流风的风速脉动强度要高一些,造成其阵风因子、紊流强度和脉动风速谱都要高于平原地貌的值。(2)平均风速大于8m/s时,阵风因子在1.1～2.1之间变化,发生概率最大的值在1.2～1.6之间,平均值为1.45。(3)当平均风速大于8m/s时,发生概率最大的