壩陵河大橋橋位深切峽谷風剖面實測研究.docxVIP

1、第25卷第4期實驗流體力學Vol.25,No.42011年08月JournalofExperimentsinFluidMechanicsAug.,2011文簞編號：1672-9897(2011)04-0015-07壩陵河大橋橋位深切峽谷風剖面實測研究朱樂東微七任腐杰2,陳偉2,3,周成2,王繼全2(】.同濟大學土木工程防災國家重點實臉室，上海200092,2.同濟大學橋梁工程系，上海200092,3.同濟大學橋梁結構抗風技術交通行業(yè)重點實驗室，上海200092)摘要：用相控陣聲達風廓線儀對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風剖面進行了實地觀測，結果表明：在地形復雜的山區(qū)深切峽谷中，平均風剖面受峽谷地形

2、影響較大，形態(tài)有時顯得較為復雜而不規(guī)則，呈現(xiàn)鋸齒形、正切變形或逆切變形等多樣化。在峽谷的上半部，平均風速較大時其剖面相對較為規(guī)則，但不符合規(guī)范中描述平坦地貌平均風速削面的肆函數(shù)形式，而具有e指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。此外.統(tǒng)汁顯示.風向角在低空范圍內(nèi)受峽谷地形的影響要比在高空范圍內(nèi)嚴重，其在低空范圍的變化幅度也要比在高空范圍的變化幅度大。風迎角的散布范圍和絕對值大小均隨高度的增加呈減小的趨勢。觀測得到的峽谷湍流度大于平坦地貌湍流度的加范推薦值，同時峽谷湍流度具有一定的隨機性，并且這種隨機性隨高度的增加而變大.關鍵詞：深切峽谷；平均風速削面；湍流度剖面；現(xiàn)場實測；聲雷達中圖分類號:P412.16文獻標

3、識碼：AInvestigationonwindprofilesinthedeepgorgeattheBalinghebridgesiteviafieldmeasurementZHULc-dong112-3,RENPeng-jie2,CHENWei23,ZHOUCheng2,WANGJi-quan2(1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering/I'ongjiUniversity,Shanghai200092,China；2.DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity

4、Shanghai200092,China；3.KeyLaboratoryforWindResistanceTechnologyofBridgesoftheMinistryofTransportation,TongjiUniversity,Shanghai200092China)Abstract：WindprofilesinthedeepgorgeattheBalinghebridgesitewereinvestigatedviaafieldmeasurementusingaphasedarraysodarwindprofiler.Itisfoundthatthemeanwindspeedpro

5、filesinadeepgorgeareseriouslyaffectedbythegorgeterrain,andsometimesshowcomplicated*irregularanddiversepatterns,suchaszigzagpatterns,positiveornegativeshearpatterns,etc.Intheupperhalfpartofthegorge,themeanwindspeedprofileshaverelativelyregularpatternsintherelevantcasesoflargemeanwindspeeds.Theregular

6、profiles»however,areclearlydifferentfromthepowerlawspecifiedincodesforcommonflatterrains,andshowvariationpattersofexponentiallaw.Furthermore,thestatisticresultsshowthatthewindazimuthisaffectedbythegorgeterrainmoresignificantinthelowerpartofthegorgethanintheupperpartofthegorge*anditsvariationamp

7、litudeisthuslargerinthelowerpartthanintheupperpartofthegorge.Boththescatteredrangeandtheabsolutevalueofthewindattackangledisplaydecreasingtendencieswiththeincreaseoftheheight.Theobservedturbulentintensitiesinthegorgearelargerthanthosesuggestedintherelevantcodesforcommonflatterrains*andpossessacertai

8、ndegreeofrandom.whichismoreviolentwiththeincreaseofheight.Keywords：deepgorge；profileofmeanwindspeed；profileofturbulentintensity；fieldmeasurement；sodar0弓吉將建立越來越多的跨峽谷大橋，而為了確保橋梁結構口在風荷載作用下能夠安全通行,就必須合理確定橋址隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，西部大開發(fā)進程的不處的風場特性，為橋梁抗風設計提供可靠的依據(jù)?，F(xiàn)斷推進，對交通能力的要求不斷提高。西部多山地區(qū)在對山區(qū)風場的研究主要集中在山頂風速加速效應收稿日期：2010-1

9、0-14；修訂日期：2011-05-09基金項目：科技部國家重點實驗室基礎研究項目（編號SLDRCE08-02）；交通部西部交通建設科技項目（項目編號200531800019:200631849426）工作頻率16502750Hz最低探測高度20m最高探測高度1km垂直高度分辨率10250m水平風速測量度0.10.3m/s垂直風速測毓精度0.030.lm/s風向測量精度2.3°水平風速量程5050m/s垂直風速量程J010m/sTable1MainparametersofMFASSODARwindprofiler*實際測量厚度與測責層厚有關.并受天，和周聲毋境的影響以及山體背風區(qū)湍流

10、特性的研究，或者是多重山脈干擾效應作用下風場特性的研究口2】，而對深切峽谷中的風場特性研究還很少，陳政清等通過湘西矮寨大橋橋址處地形模型的風洞實驗，對峽谷地形的風場進行了研究,但風洞試驗的研究結果并不能完全準確地反映山區(qū)峽谷地區(qū)的實際風場特性。氣象部門通過現(xiàn)場實測曾對山谷地形的風溫輪廓線特征進行了一些研究，但是目前還鮮有針對橋梁抗風設計的深切峽谷地形風場現(xiàn)場實測研究。作者通過在壩陵河大橋橋址處進行現(xiàn)場實測，取得了一些關于深切峽谷地形風場特性的資料。1工程概況72cm.L74cm61一卻沮危琶!*7!7I7'ir.測童單元（天線）數(shù)據(jù)存儲單元筆記本電腦）信息處理單元（b）I作原理圖測試系

11、統(tǒng)介紹(a)測試系統(tǒng)天線尺寸圖1Fig.1Descriptionoflestsystem(b)立面圖圖2測點位置Fig.2Thepositionofmeasurement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(qū)內(nèi)河流切割侵蝕強烈，地形破碎，巖溶發(fā)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(qū)為典型的中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，雨熱同季，多云寡照，四季分明，具有溫和，春干夏雨的氣候特點。壩陵河大橋地處高山峽谷之間，橋位處峽谷近接南北方向，深約560m,谷頂寬約22.5km°橋位處的山地氣

12、象條件與河流、平原地區(qū)存在明顯差異。與沿海和平原地區(qū)風速相比，山區(qū)峽谷陣風強烈、頻繁，湍流強度大，非平穩(wěn)特性突出。壩陵河大橋為國內(nèi)首座單跨超«1MFAS型SODAR風廊線儀主要性能指標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。故需要開展橋位處山區(qū)峽谷自然風風場特性、風參數(shù)的實測研究工作，為壩陵河大橋的抗風設計提供合理的風場參數(shù)。研究結果對其它工程具有借鑒價值。2試驗概況2.1試驗儀器和測點位置介紹本次實地風剖面測量采用了由德國SCINTEC公司生產(chǎn)的MFAS型相控陣聲

13、雷達（SODAR）風廓線儀系統(tǒng)（圖1）進行風廓線的實測。該聲雷達能夠測量三維風速和風向及湍流豎向剖面；儀器主要性能指標見表1。主要附件有:MFASNS標準聲音屏蔽設備；MFAPAE主設備供電單元；MFAHEA天線加熱設備；MFAPHE天線加熱設備供電單元。經(jīng)過對壩陵河大橋橋址附近峽谷地形和橋下三棵樹村房屋條件、供電條件的實地考察，確定了風廓線儀的觀測位置，即圖2中的S1,此測點位于大橋的下游約299m處，沿大橋軸向離開跨中向鎮(zhèn)寧側橋塔偏離距離約103m,海拔高度約758m；測點距峽谷頂面高度約480m,測點距橋面高度約為300m。2.2坐標系統(tǒng)定義聲雷達風廓線儀系統(tǒng)的坐標定義見圖3和表2,圖中

14、U、V、W表示坐標系的3個方向。圖3SODAR坐標系Fig.3CoordinatesystemofSODAR表2風偏角與風向對應關系表Table2Relationshipbetweenyawangleandazimuthofwind2.3數(shù)據(jù)采集情況風偏角風向0,北風90°東風180°南風270*西風自2006年11月開始，在貴州鎮(zhèn)寧的觀測點進行了5次現(xiàn)場風廓線觀測，時間分別是：2006年11月28日12月1日.2007年3月1214日.2007年4月1827日,2007年10月1015日以及2009年12月210日。聲雷達的有效觀測高度在壩陵河大橋主梁施工前基本上都超過了

15、海拔1158m,最大超過了海拔1558m,只有少數(shù)情況低于海拔1158m。但是在2009年12月210日期間進行最后一次測最時，主梁已經(jīng)合龍.由于主梁對聲雷達信號干擾，使得測量高度均低于橋面的海拔高度1058m。利用聲雷達觀測得到的原始樣本包括：高度H（距離聲雷達）、平均水平風速、水平風向角、U方向平均風速Uu、U方向風速根方差值如、V方向平均風速Uv.V方向風速根方差值w、W方向平均速度Uw、W方向風速根方差值ow等9項內(nèi)容。圖47給出了2007年10月13日12點20分測得上述各參數(shù)的豎向剖面圖，其中Z為海撥高度。其中數(shù)值為。的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)分析時去除。對此樣本的觀察發(fā)現(xiàn)，V方

16、向的速度分量分布形式與平均水平風速方向的ffl5U方向平均風,速及風速根方差削面Fig.5ProfilesofUu&<rv圖6V方向平均風速及風速根方差剖面Fig.6Profilesoft/v&gLJ圖7W方向平均域速及風速根方差剖面Fig.7ProfilesofUw&<iw圖4平均水平風速及水平風向角剖面Fig.4Profilesofhovizontalmeanspeedandazimuthangleofwind小。3主要試驗結果與分析3.1平均風剖面突測數(shù)據(jù)分析選擇離測站離測站300m高度（主梁高度）處平均風速大于4m/s和有效測試高度超過400m的平均

17、風剖面觀測樣本（共計221個）進行分析，其中高度是指離開聲雷達的高度。圖8中給出了幾個典型的原始風剖面樣本，其中U心的定義見式（1）,從對風廓線的觀察可以看到，在地形復雜的山區(qū)深切峽谷中，平均風廓線的形態(tài)較為復雜，并且具有多樣性，有時風為主要風速方向。比較U,V,W3個風速分量,V風速風量對總風速大小影響最大，w風速風最影響最速沿高度呈“鋸齒形”變化；有時在距儀器200400m高度范圍內(nèi)會出現(xiàn)顯著的風速正切變或逆切變現(xiàn)象；此外，對于風速較大的情況，有時也觀測到了一些比較規(guī)則的平均風廓線，但這些較規(guī)則的平均風廓線仍與規(guī)范中章函數(shù)或對數(shù)函數(shù)所描述的常規(guī)平均風廓線有顯著區(qū)別。根據(jù)規(guī)范中的風廓線.隨著

18、高度的增(a)供齒形樣本(a)供齒形樣本(b)逆切變樣本(c)正切變樣本圖8實測的多樣性平均風刑面示例Fig.8Typicalexamplesofmeasureddiversemeanwindprofiles北風或南風。從對不同高度風玫瑰圖(圖9-11)的觀察可以看到，在海拔858m(橋塔根以下約100m)處風向主要是N、NNE、SSW等3個方向，其頻度分別為40.8%、18.3%、23.4%,在海拔1058m(近橋面高度)處風向主要是N、NNE、S等3個方向，其頻度分別為42.5%、14.0%、19.9%,在海拔1158(橋塔頂部圖9858m高度處風向玫魂圖Fig.9Rosediagramo

19、fwindaiimuthat858m則的風廊線中，隨著高度的增加，平均風速增加的速率不斷增加，特別是在接近谷頂時，速度增長率非常大。此現(xiàn)象與深切峽谷的特征吻合，即：隨著高度的增加，峽谷的寬度增大.山坡在水平方向對風的阻滯作用越來越弱，使得風速的增長率隨之越來越大。根據(jù)對實測樣本的觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，風速受地(d)較則樣本圖n1158mn度處風向玫瑰圖Fig.!IRosediagramofwindazimuthat1158m高度)處風向主要是是N、S兩個方向，其頻度分別為34.7%、20.8%。由此可見壩陵河大橋橋址處峽谷風風向的離散度隨高度的增加而下降。3.2平均風剖面推薦公式ffl101058

20、m高度處風向玫瑰圖Fig.10Rosediagramofwindazimuthat1058m故進行數(shù)據(jù)擬合時選擇200m以上的數(shù)據(jù)。對于深切峽谷的平均風廓線.規(guī)范中用于表示平坦地區(qū)平均風廓線的蒂函數(shù)公式或對數(shù)函數(shù)公式顯然已不再適用。作者通過對實際觀測樣本的擬合，獲得r代表壩陵河深切峽谷測站上方海拔9581585m范圍內(nèi)的風廓線數(shù)學表達式，具體如F：U=Uw=J3+W+U&(1)U=U1058exp(!)=Uexp(2)PP對有效樣本的平均風剖面圖觀察分析顯示，測站上空200m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)變化凌亂.沒有規(guī)律可循，U工一乙、50=exp（_）（3）其中：Z為海拔高度，乙為參考高度,U,為參

21、考風速,&58為1058m處風速，P為擬合參數(shù)fUVtUutUw為V,U,W3個方向上的速度分量。對于本橋，參考風速以的值可以通過參考文獻5中給出的數(shù)值取用。擬合中選用了風速較大（G10S8>4m/s）且風向與河谷走向（南北走向）相近的樣本，共計118個。分別采用兩種方法對樣本進行擬合。（1）統(tǒng)一擬合法，首先將118有效樣本的所有無量綱風速一海拔高度數(shù)據(jù)對的實測結果放在一起構成一個實測數(shù)據(jù)對的整體集合（見圖12中的離散方塊）；然后以公式（3）為目標函數(shù)進行一次性統(tǒng)一最小二乘擬合，得到參數(shù)P的統(tǒng)一擬合值。圖12中實線即為統(tǒng)一擬合法得到的平均風剖面曲線，其中p=573.05。U!Ur

22、圖12平均風速剖面擬合結果Fig.12Fittedresultsofmeanwindspeedprofile（2）獨立擬合參數(shù)平均法，即以公式（3）為目標函數(shù)，對所選118個樣本逐個進行獨立的最小二乘擬合.分別得到每個樣本對應的參數(shù)A，然后對所有擬合得到求平均值得到最終的參數(shù)基于不同樣本的擬合結果離散度較大，其平均值p=558.97,與統(tǒng)一擬合法得到的結果接近。根據(jù)平均值得到的風剖面曲線用虛線畫在圖12中，由此可發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的平均風剖面非常接近。最后，以統(tǒng)一擬合結果為準.推薦壩陵河大橋的橋址處的平均風剖面公式：U（Z）=958m1585m（4）3.3風迎角剖面觀測數(shù)據(jù)分析實測中得到U,V

23、,W3個方向上的平均風速Uu，按照公式（5）可以求得相應的風迎角a,并定義當風速的垂直分量Uw豎直向上時，風迎角為正，反之為負。對海拔1058m高度處風速在大于4m/s的樣本進行分析可以得到實測平均風的迎角隨海拔高度的變化規(guī)律（如圖13所示）。圖中兩條虛線包含的范圍是橋梁塔基到塔頂?shù)姆秶?65mWZ<1161m）。a=arclan（UwUjf+）其中為風迎角，單位為度（°）。(5)1700尸1600-150014001300-如200:1100-1000:900-800-7Odo11p.80風迎角（°）-200圖13風迎角一海拔高度關系圖Fig.13Correlat

24、ionbetweenattackanlcandheight從圖13可以看出.雖然風迎角的數(shù)值較為離散，但是，隨著海拔高度增加，風迎角的散布范圍和風迎角的絕對值大小均有減小的趨勢。大的迎角主要在低空處（海拔高度Z900m）出現(xiàn)，低空處風速較小,以及風特性受地形影響較大是造成此處風迎角較大的原因。而隨肴海拔高度的增加，風速不斷增加且山谷變得開闊，地形對風特性影響變小，從而使得風迎角的散布范圍變窄。在圖中所示的橋梁設計的高度范圍內(nèi)風迎角分布范圍變化不大，大約在一15°15°之間。3.4湍流度剖面觀刑數(shù)據(jù)分析實測采用的測試儀器MFAS型SODAR相控陣聲雷達可同時得到湍流度沿高度方

25、向的剖面，對離SODAR300m高度（海拔1058m）處風速在大于4m/s的樣本分析，依據(jù)相關文獻相對湍流度（簡稱為湍流度）是脈動風速的標準差同主風速方向上的平均風速的比值,但由于本試驗設備中得到的數(shù)據(jù)不是風速時程，而是U,V,W3個方向的lOmin平均風速Uu、Uy、Uw和其對應的脈動風標準差OUOv（Jw»故利用式得到U、V、W3個方向的湍流度ludvJw：(6)L，=地，K=,/w=ueV"Ulo.UwU心其中%為3個方向的合速度.可由式（1）得到。圖1416分別為貴州壩陵河大橋橋址處海拔高度為858、1058、1158m的湍流度分布情況。隨著高度的增加，湍流度的離散

26、性增大，在近橋面高度處（海拔1058m)U方向的湍流度主要集中在區(qū)間0.1,0.4,V方向的湍流度較離散?；趯崪y統(tǒng)計分析得到湍流度U方向的分量ItJ平均值為0.365,最大值為0.923,最小值為0.041,標準差為0.246；V方向的分量R平均值為0.411,最大值為0.990,最小值為0.042,標準差為0.257。分析結果中，V方向的湍流度大于U方向是因為V方向代表的南北方向是峽谷中風速方向的主要方向.其更加接近于風速的主風向，而在相關文獻中可以發(fā)現(xiàn)主風向上的湍流度分量一般大于其它兩個顯大于相關規(guī)范中規(guī)定的湍流度大小,這是因為規(guī)范中考慮的地貌與本研究的深切峽谷地形相差較大，后者的地貌復

27、雜，增大了湍流度的值及其隨機性；同時文中分析的樣本包含的大部分都是小風速樣本，一般認為小風速條件下的風特性不確定性要強.使其脈動特性與強風相比存在一定的差異。圖14海拔858m高度處湍流度分布20°06090120150(b)/v圖15海拔1058m度處滑流度分布Distributionsofturbulentintensitiesat1058m(c)/w3020(a)/u020406080100120(b)/y圖16海拔1158m高度處潟流度分布Distributionsofturbulentintensitiesat1158m4020>.1'I'-'

28、I'L.'020406080100120(»)Iu(c)Jw80.%(n實測成據(jù)1.8040-|S400o,n.046810Fig.16圖17U/(ms】)(&)Iu46810U/(ms-')20(b)Zv橋面高度(1058m)湍流度隨平均風速變化規(guī)律Fig.17VariationofturbulentintensitiesatdeckleveK1058m)withmeanwindspetd最06'8'_(C)Iw統(tǒng)計分析表明，壩陵河大橋橋址處的實測脈動風湍流度與平均風速存在一定的關系(如圖17所示)，隨著平均風速的增加，湍流度有減小的趨勢，這與之前的分析一致，進一步解釋了小風速樣本的湍流度要由于風速較小，地表熱應力作用增大，邊界層的穩(wěn)定性偏離中性。4結論采用相控陣聲雷達風廓線儀系統(tǒng)對西部山區(qū)風剖面進行現(xiàn)場實測和研究，通過對測量數(shù)據(jù)的整理分析，現(xiàn)將結論總結如下：(1) 壩陵河大橋橋址處峽谷地形的平均風廓線與規(guī)范中寤函數(shù)或對數(shù)函數(shù)所描述的常規(guī)平均風解線有顯著區(qū)別。山區(qū)風輪廓線隨著高度的增加，平均風速增加的速率不斷增加，特別是在接