山区深切河谷处钢桁拱桥的风环境测量研究
李勇
摘 要：本文介绍了某位于山区深切河谷处的大跨度钢桁拱桥位处的风特性参数观测方案，在距离施工塔吊10～90m的高度范围内，每隔10m布置1套风速/风向传感器，对桥址处风环境进行长期实测。通过计算其平均风特性参数，得出了山区深切河谷地貌风环境与现行规范的不同，拟为该大跨度钢桁拱桥后续的施工及运营维护提供依据。
关键词：山区深切河谷；风场实测；大跨钢桁拱桥；平均风环境
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）08-0071-03
近年来，我国建造了多座大型拱桥，但其抗风问题却未得到足够的重视。现行的《公路桥涵设计通用规范》（以下简称“桥规”）和《公路桥梁抗风设计规范》（以下简称“风规”）中，并未专门给出大跨度拱桥的风荷载计算依据及相应的抑振措施，国内相关报道也主要是研究懸索桥与斜拉桥的风振问题。而拱桥的刚度相对更高，抗风性能与其他柔性桥梁截然不同。此外，目前的大多数研究均是桥址位于平原地区，几乎没有针对山区深切河谷地貌处大跨度拱桥的相关报道。因此，本文对我国西南山区一座深切河谷处的大跨度钢桁拱桥位处进行了长期风环境实测，拟为后续风荷载计算提供依据，指导同类桥梁的抗风设计。
1 工程背景
某上承式钢桁拱桥净跨径400m，净矢高80m，矢跨比1/5，孔跨为：
桥址区地表为缓陡相间的折线型斜坡，最大地面标高318m，河底标高为90m，相对高差达228m，切割深度较大。南岸山脊自然坡度为350～410，北岸山脊坡度约为650～750。因此，该桥位地形属典型的深切河谷地貌，如图2所示。
2 风环境实测方案
风特性测量设备采用风速风向仪，包括风速/风向传感器、采集仪、气象软件三部分。将风速风向仪安装到交界墩旁的塔吊上，分别在离塔吊底脚10～90m高度处安装9个风速和风向传感器，分别以#1～#9测点表示，如图3所示。
采集仪连接到计算机进行风速风向数据的自动采集，采集频率1Hz，观测时间为2015年1月～2016年12月，为期两年。
3 实测结果
对于数据采集终端采集到的数据，首先进行预处理，剔除无效数据。然后按《风规》计算平均风特性，包括平均风速的大小和方向、基本风速、风速沿高度的分布廓线等。
3.1 平均风速和风向
由于观测仪采集到的风速数据为三维序列，因此采用矢量分解法可分别得到水平平均风速和风向角。限于篇幅，图4只给出了桥址处1#和9#测点在2016年1月份的风速测量结果。按照《风规》，平均风时距为10min。通过对这些数据进行统计分析，便可以得到每个月的10min时距平均风速和风向，其统计结果见表1。
由表1，桥址处全年的月平均风速最大值发生在6～8月份，其平均风向约为358°～359°，这主要是由于我国处于亚热带季风气候带，夏季季风大，盛行偏南风。除6～8月份外，全年其余月份的平均风速均在14m/s左右（9#测点）、10m/s左右（1#测点），风向角约为20°左右。
为进一步分析全年风向的概率分布情况，本文运用数理统计的分析方法得到了图5所示的冬季和夏季的风玫瑰图。比较图5（a）和图5（b），桥址处风向集中在NNE至E之间，另外，在SSE至S之间，主导风向为东北风和东南风。该方向大致与深切河谷的走向一致，说明桥址特殊的地貌环境对平均风向的影响很大。夏季最大概率风向为ENE，达到48.7%，冬季最大概率风向为NNE，为49.2%，二者基本一致，说明该桥址处风向概率分布受季节的影响较小。
3.2 基本风速
根据两年的实测数据，由上述算式计算出桥址处100年重现期的基本风速为31.8m/s。而根据我国《风规》，桥址所在地区的百年重现期基本风速为27.5m/s。可见，现行规范低估了该桥桥址处的基本风速，这主要是由于现行规范针对的是开阔平坦地貌，而本桥桥址处属于典型的深切河谷地貌。另一方面，这也说明对于特殊地貌进行风环境实测的重要性。
3.3 风速廓线
通过对比1# ～ 9#测点在同一月份10min时距平均风速的变化曲线，图6给出了2016年第一季度至第四季度平均风速沿高度的变化情况，即风速廓线。
由图6可见，本桥桥址处的全年各月份的风速廓线均不严格遵守我国《公路桥梁抗风设计规范》所建议的指数律或对数律关系，平均风速最大值发生在70m高度处，而非指数律或对数律分布所对应的顶部。这主要是受深切河谷地貌的影响，河道范围内既存在大气漩涡的水平运动，又存在竖直运动，二者互相影响，对近地面风环境造成了强烈的扰动。上述现象明显区别于规范所针对的平坦地貌，其以漩涡的水平运动为主，风速廓线基本遵守指数律或对数律的分布关系。由此可见，对于山区深切河谷这类明显区别于开阔平坦环境的地貌类型，进行桥址抗风研究时，其风速廓线应通过现场观测来确定，以免盲目参考现行规范所导致的不可靠研究结果。
4 结论
本文对某位于山区深切河谷处的大跨度钢桁拱桥位处风环境参数进行了长期现场实测研究表明：
（1）桥址处月平均风速最大值发生在6～8月份，平均风向约为3580～3590，主要是受亚热带季风气候影响所致。桥址处主导风向居于NNE至 E之间，与深切河谷的走向一致，说明桥址特殊的地貌环境对平均风向的影响很大。
（2）桥址处100年重现期下的基本风速为31.8m/s，高于现行规范的计算值，主要是由于规范针对的是开阔平坦地貌，而本桥桥址处属于典型的深切河谷地貌，这也说明对于特殊地貌进行现场实测的重要性。
（3）桥址处平均风速最大值并非发生在最高处，其沿高度的分布明显区别于现行规范所建议的指数律或对数律，因此对于山区深切河谷这类明显区别于开阔平坦环境的地貌类型，其风速廓线应通过现场观测来确定。
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