山区地形的钢桁拱桥风场特性研究*

揭 晶

在山区，由于地形、地貌情况变化急剧，使得风场分布非常复杂。现有的桥梁抗风规范仅适用于平坦地貌各向同性的风场条件，关于山区这类复杂地形、地貌，其风特性特征可能与规范规定值相差很大，需要通过现场实测才能正确获得桥址处的风环境特性。作者以山区某大桥为工程背景，在该桥桥址处建立风特性观测站，长时间实时观测记录该桥址处基本风要素(风空间速度矢量)的变化过程，将该数据作为研究西部山区近地风特性基础。

1 大桥工程简介

1.1 大桥工程概况

该大桥主桥为400 m跨上承式钢桁拱桥，主桥拱座采用整体式钢筋混凝土结构，底面设计成阶梯形;主拱肋采用桁架结构，钢桁高度为10 m等高;拱肋上下弦杆采用等截面钢箱，内设纵向加劲肋，上下弦杆壁厚从拱顶至拱脚按受力要求变厚，桁架节点采用整体式节点。拱上桥面行车道结构采用钢—混凝土组合梁，跨径27 m，采用16跨连续结构，全联长432 m。

1.2 桥址处气象

该大桥桥址位于亚热湿润区，该桥址处的气象具有以下特点:春天回春早，但不稳定，在这个季节经常出现低温阴雨及寒潮;一年中夏季持续时间长、气温高，降雨量多而集中，有时还可能出现洪涝;秋季气温下降快，常阴雨连绵;冬季短，气候温和而少霜雪。多年平均气温18.4℃，极端最高气温43.1℃(7月)，极端最低气温-9.2℃(1月)，月平均最高气温29.5℃，月平均最低气温2.2℃。多年平均降雨量 1 049.3 mm，年最大降雨量1 356.0 mm，最大日降雨量199.0 mm。

2 桥址处风场实测数据分析

2.1 基本风速

基本风速代表了某地区范围的风速大小，是桥梁抗风计算的基础。我国公路桥梁抗风设计规范规定10 m高度处100年重现期10 min平均年最大风速为大桥抗风设计的基本风速，理论上应用基本风速可以计算同一地区不同类别场地或高度风速大小。

为了研究地形复杂的山区桥梁的风特性，在山区某大桥桥址处进行了一年半的现场实测，获得了一年多的实测数据量，据此来计算该桥桥址处100年重现期下的基本风速，则结果不太可靠。为此，采用了仅需要较小样本数量的跨阈值方法(越界峰值法)来进行推算，这样在降低了最大风速权重的同时，有可能保留一年中较多的次最大风速，使在较短风速序列基础上估计极值风速成为可能，因此可以得到该桥桥址处100年重现期下的基本风速为26.8 m/s。

2.2 湍流强度

湍流强度反映了风的脉动强度，它是描述大气湍流的最简单参数。根据桥梁抗风设计规范，湍流强度定义为10 min时距内脉动风速均方根与水平平均风速的比值。即I=σ/U。其中，σ为脉动风平均最大风速的均方根，U为平均最大风速值。

本次试验获得的风速样本较多，为了便于分析，在数据处理中，先根据原始数据计算不同高度传感器在10 min时距内纵桥向脉动风速 u(t)、横桥向脉动风速v(t)和竖向脉动风速 w(t)的均方根与水平平均风速的比值，分别得到这三个方向的湍流强度，然后再通过加权平均得到每一天的湍流强度值;最后得到不同位置传感器的湍流强度随时间的变化规律，即湍流强度的时程曲线。从实测结果可以看出，对于这类山地地貌来说，风的脉动成分较大，下部传感器测得的湍流强度最大超过了50%，即使是离拱脚90 m高度的上部传感器，所测得的湍流强度最大也可达20%左右，其湍流强度远大于相关规范值和平原地区的测量结果(底部20%，上部5%左右)，这种大湍流很容易引起桥梁结构的抖振响应。

2.3 阵风因子

风的脉动强度也可以用阵风因子来表示，阵风因子 G(tg)定义为阵风持续时间 tg内的平均风速最大值(结构风工程中一般取阵风持续时间为2 s～3 s)。

在数据处理中，先根据原始数据计算不同高度传感器在阵风持续时间 tg内的平均风速最大值与水平平均风速的比值，分别得到这两个方向的阵风因子，然后再通过加权平均得到每一天的阵风因子值;最后得到不同位置传感器的阵风因子随时间的变化规律，即阵风因子的时程曲线。从所得的分析结果中可以看出，对于此类山地地貌，在顺风向，下部传感器测得的阵风因子最大值发生在8月份，上部传感器测得的阵风因子最大值发生在1月份;在横风向，下部传感器测得的阵风因子最大值发生在1月份，上部传感器测得的阵风因子最大值发生在1，3月份。总体来看，在山区地貌下，风的脉动强度大，高于平原地区的测量结果。

3 结语

本文分析了山区某大桥桥址处的平均风与脉动风特性，包括该桥址处的基本风速，平均风速沿高度的变化规律，湍流强度特性和湍流功率谱等。结果表明:

1)该桥址处平均风速沿高度的变化规律不符合规范给出的指数分布或对数分布。

2)下部传感器测得的湍流强度最大超过了50%，即使是离拱脚90 m高度的上部传感器，所测得的湍流强度最大也可达20%左右，其湍流强度远大于相关规范值和平原地区的结果。同样，阵风因子的最大值也高出平原地区的结果。这说明对于此类山地地貌，风的脉动成分较大，容易引起桥梁抖振。因此，在进行桥梁抗风设计时需要特别注意。

[1] JTG/T D60-01-2004，公路桥梁抗风设计规范[S].

[2] T.von Karman.Progress in the Statistical theory of Turbulence[Z].Proc Nat Acad Sci Washington D.C，1948.

[3] E.Simiu.Wind Spectra and Dynamic Along Wind Response[J].J Struct Div ，ASCE ，1974(100):58-60.

[4] 蔡丹绎，李爱群，程文镶.顺风向脉动风速功率谱密度函数的分析研究[J].江苏建筑，1994(3):20-25.

[5] 谢以顺.润扬悬索桥桥址区实测强风特性的对比研究[J].空气动力学学报，2009，27(1):20-23.

[6] 项海帆.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京:人民交通出版社，2005.