高海拔高溫差高溫差連續(xù)剛構(gòu)橋橋址區(qū)風(fēng)特性實(shí)測研究

高海拔高溫差高溫差連續(xù)剛構(gòu)橋橋址區(qū)風(fēng)特性實(shí)測研究

0研究對象選取峽谷區(qū)的風(fēng)特征與平原區(qū)相比有很大不同。由于峽谷區(qū)地形的不同和橋梁區(qū)高度的差異，相關(guān)風(fēng)特征會發(fā)生變化?，F(xiàn)場調(diào)查是有效的風(fēng)特征研究方法。本文選取大渡河大橋橋址區(qū)作為研究對象,該橋址區(qū)河谷兩側(cè)山峰海拔均超過5000m,山峰至河谷底的海拔相差超過3500m。河谷兩側(cè)山頂均有終年不化的積雪,較為寒冷,而河谷底部屬于典型的干熱河谷,溫暖干燥。為確定大橋橋址區(qū)風(fēng)特性,采用MFAS型相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀和CAWS600-RT型四要素自動氣象站對橋址區(qū)的風(fēng)特性進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,分析了橋位處的平均風(fēng)速、陣風(fēng)系數(shù)、風(fēng)攻角、風(fēng)剖面等風(fēng)特性,相關(guān)研究成果對其他類似工程具有借鑒價值。1橋前風(fēng)廓線儀安裝大渡河大橋位于四川省西部的瀘定縣境內(nèi),大橋距離瀘定縣城約5km。大橋橋位處的峽谷接近南北方向,為典型的U形峽谷地形。橋面設(shè)計高程為1608m,距離大渡河溝底約300m,同時連接橋梁兩端的均是陡峭的山脈,橋軸線向康定側(cè)延伸10km后,地面海拔高度由橋位處的1608m升高至5000m左右,橋軸線向雅安側(cè)延伸5km后,地面海拔高度由橋位處的1608m升高至3700m左右,可以看出橋位處呈現(xiàn)明顯的深切峽谷特性。根據(jù)大橋所處的位置走向以及橋位附近的地形特點(diǎn),在橋位處安裝了1套四要素自動氣象站和1套MFAS型相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀系統(tǒng)。四要素自動氣象站位于大橋的縱向中心軸線上,安裝位置距離橋面78m。MFAS型相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀位于大橋的下游約500m處,向大橋跨中偏離康定側(cè)橋塔約300m,風(fēng)廓線儀的海拔高度為1399m,距離橋面209m,風(fēng)廓線儀所處位置遠(yuǎn)離城市和人員聚集區(qū),噪聲對測量的影響較小。2套儀器安裝平面圖和立面圖分別見圖1(a),(b)。四要素自動氣象站能夠監(jiān)測站點(diǎn)處3s,2min,10min時的平均風(fēng)速和風(fēng)向,同時能夠觀測站點(diǎn)處的實(shí)時溫度和降雨情況,該系統(tǒng)的采樣頻率為1Hz。風(fēng)廓線儀能夠測量3個方向上的風(fēng)速豎向剖面、風(fēng)向豎向剖面及紊流度豎向剖面。2套觀測儀器的觀測精度和量程見表1。2數(shù)據(jù)處理和分析2.1平均風(fēng)速2.1.1風(fēng)速最工程抗風(fēng)計算中比較關(guān)注較大風(fēng)速的持續(xù)作用,對1年來橋位處的10min平均風(fēng)速進(jìn)行了統(tǒng)計。統(tǒng)計表明橋位處6級(10.8m·s2.1.2勞動時段風(fēng)速典型大風(fēng)天10min平均風(fēng)速的變化見圖2。從圖2中可以看出:每天凌晨至中午時間段內(nèi)的風(fēng)速較小,下午及上半夜風(fēng)速較大。大橋橋位處的風(fēng)速表現(xiàn)出以天為周期的規(guī)律性波動。為進(jìn)一步分析橋位處每天的起風(fēng)規(guī)律,對觀測時間段內(nèi)10min平均風(fēng)速大于5.0m·s2.1.3橋位下的大風(fēng)為考察風(fēng)速以天為周期出現(xiàn)規(guī)律性波動的原因,圖4(a),(b)分別給出了冬季和夏季典型大風(fēng)天10min平均風(fēng)速與溫度的變化趨勢。從圖4可看出:熱力作用是大渡河大橋橋位處地面大風(fēng)形成的一個重要因素。一般在沒有較強(qiáng)的天氣系統(tǒng)影響時,橋位區(qū)域早晨、上午及夜間常吹河谷風(fēng),風(fēng)速較小。在上午晴朗少云的天氣下,午后常出現(xiàn)東南方向的大風(fēng),這是由于太陽照射對橋位處東南側(cè)、北側(cè)不規(guī)則山體表面輻射增溫隨時間變化不均勻,致使各個山坡面、山頂、山谷底部出現(xiàn)較大的溫度變化和氣壓梯度。具體表現(xiàn)為上游河谷在17點(diǎn)以后陽光仍然可以直射,而此時在橋位處已經(jīng)不能被陽光照射,現(xiàn)場實(shí)測表明橋位處同一時刻溫度比上游河谷低3℃~5℃。在橋位下游5km處為瀘定縣城,縣城內(nèi)水泥路面、建筑物等較多,在整個白天的日照過程中吸收的熱能也較多,并且混凝土散熱較慢使得瀘定縣城出現(xiàn)一定的熱島效應(yīng),可導(dǎo)致橋位處同一時刻溫度也比下游河谷低2℃~4℃。在該熱力溫差的驅(qū)動下,河谷這種非均勻下墊面在其熱力、動力共同作用下導(dǎo)致山谷內(nèi)形成不穩(wěn)定的擾動氣流,從而形成以天為周期的大風(fēng),從圖4(b)可以看出該類大風(fēng)在夏季表現(xiàn)得更加明顯。從以上分析中可以看出,橋位處由于受熱力驅(qū)動,小尺度局部大風(fēng)(定義為Ⅱ類風(fēng))基本上每天都存在,但是風(fēng)速不會太大,其最大風(fēng)速一般在10m·s2.2采用概率統(tǒng)計法陣風(fēng)系數(shù)是考慮到瞬時風(fēng)速較平均風(fēng)速大而乘的系數(shù),在風(fēng)特性實(shí)測過程中,常通過采用一定時段內(nèi)極大風(fēng)速與最大風(fēng)速的比值做概率統(tǒng)計而得出。本文以天為時間段采用概率統(tǒng)計法分析大橋橋位處的陣風(fēng)系數(shù)。概率統(tǒng)計法得到的高斯概率分布見圖5。從圖5可知:陣風(fēng)系數(shù)的概率統(tǒng)計均值為1.57,標(biāo)準(zhǔn)差為0.24。當(dāng)保證率為95%時陣風(fēng)系數(shù)為1.97,其數(shù)值比《橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中D類地表的陣風(fēng)系數(shù)推薦值略大。風(fēng)速對陣風(fēng)系數(shù)的影響見圖6。從圖6可知:陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增加先增大后減小,表明陣風(fēng)系數(shù)與風(fēng)速存在著一定的相關(guān)性,但是相關(guān)性并不明顯。2.3風(fēng)剖面和擾動剖面2.3.1地表粗糙度系數(shù)概率分布假定橋位處風(fēng)剖面大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速沿豎直高度的分布服從冪指數(shù)規(guī)律,因此橋址區(qū)的風(fēng)速剖面可由式(1)表示,即式中:V選擇橋面設(shè)計高度處平均風(fēng)速大于10m·s統(tǒng)一擬合法的平均風(fēng)剖面如圖7所示。由圖7可知:一次擬合的地表粗糙度系數(shù)為0.23。從實(shí)測點(diǎn)的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)在高度為210m處有一個明顯的回頭折線效應(yīng),故以高度為210m對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,擬合結(jié)果表明高度210m以下的地表粗糙度系數(shù)為0.33,在210m高度以上的地表粗糙度系數(shù)為0.05,表明橋位處低空風(fēng)剖面受地面影響較大,當(dāng)超過一定高度后影響突然減弱,這種具有明顯折線規(guī)律的風(fēng)剖面和常規(guī)平原地區(qū)的風(fēng)剖面有較大區(qū)別。獨(dú)立擬合后的地表粗糙度系數(shù)概率分布情況如圖8所示。從圖8可以看出,地表粗糙度系數(shù)基本服從高斯分布,對其進(jìn)行高斯擬合得到的地表粗糙度系數(shù)均值為0.25,標(biāo)準(zhǔn)差為0.17。對比2種擬合方法可以發(fā)現(xiàn),一次擬合和獨(dú)立擬合后的地表粗糙度系數(shù)結(jié)果基本一致,其數(shù)值均介于《橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中C類地表和D類地表之間,但分段擬合后低空的地表粗糙度系數(shù)達(dá)到0.33,要大于D類地表的地表粗糙度系數(shù)。2.3.2橋面高度處水平風(fēng)速5.2模型實(shí)測采用的MFAS型相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀可同時得到紊流度沿高度方向的剖面,選取橋面設(shè)計高度處水平風(fēng)速大于10m·s橋面高度處U方向(主方向)、V方向(次方向)、W方向(豎向)3個方向紊流度均值分別為18.3%,14.5%,9.3%,其比值為1.00∶0.79∶0.51。圖9為橋位處U,V兩個水平方向的紊流度I2.4地面風(fēng)速和風(fēng)向風(fēng)攻角隨高度的變化如圖10所示。從圖10可以看出,橋位處風(fēng)攻角的數(shù)值雖然比較離散,但是隨著海拔高度的增加,風(fēng)攻角的離散范圍和風(fēng)攻角的絕對值均有減小的趨勢。較大的風(fēng)攻角主要集中在離地高80m以下的低空,這是由于低空風(fēng)速較小,受地形影響較大,低空風(fēng)向較為紊亂造成攻角分布較離散。隨著高度的增加,風(fēng)速不斷增大,且山谷也變得相對開闊,地形的影響逐漸減小,因此風(fēng)攻角的散布范圍也變窄。橋位處風(fēng)攻角均值隨高度的增加由正攻角轉(zhuǎn)為負(fù)攻角,在高度150~300m之間時,風(fēng)攻角均值趨于1個穩(wěn)定值?，F(xiàn)場多次實(shí)測和觀測表明負(fù)攻角偏多的原因是由于大橋位于深切峽谷中較底部的位置,橋位處的來流主要是由兩岸雪山和谷底之間的溫差形成的山風(fēng),山風(fēng)大部分是從上往下流動,從而使得橋位處的風(fēng)攻角以負(fù)攻角居多。橋面設(shè)計高度處風(fēng)攻角的概率統(tǒng)計如圖11所示。由圖11可以看出:風(fēng)攻角大多分布在-12°~6°之間,負(fù)攻角的情況要多于正攻角。風(fēng)攻角的概率統(tǒng)計均值為-4.46°,標(biāo)準(zhǔn)差為5.9。3地面和地面風(fēng)攻角對比(1)高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)的風(fēng)環(huán)境惡劣,實(shí)測I類大風(fēng)最大風(fēng)速達(dá)到29.6m·s(2)橋位處保證率為95%時的陣風(fēng)系數(shù)為1.97,其數(shù)值較《橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中D類地表對應(yīng)的推薦值略大。低空風(fēng)剖面受地面影響較大,當(dāng)超過一定高度以后這種影響明顯減弱,橋位處低空的地表粗糙度系數(shù)達(dá)