山區(qū)峽谷橋址處風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究

沈煉　韓艷　蔡春聲　董國(guó)朝　李春光

摘要：為準(zhǔn)確模擬山區(qū)峽谷橋址處的三維紊流風(fēng)場(chǎng)，以澧水大橋所在峽谷為工程背景，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)用諧波合成法進(jìn)行等效處理生成了滿足峽谷風(fēng)場(chǎng)特性的隨機(jī)來(lái)流，然后基于對(duì)Fluent的二次開(kāi)發(fā)，將生成的隨機(jī)來(lái)流賦予大渦模擬的入口邊界。通過(guò)對(duì)比本文方法和無(wú)脈動(dòng)入口計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文方法更能體現(xiàn)山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)流態(tài)，最后在本文方法基礎(chǔ)上對(duì)不同風(fēng)向角作用下的山區(qū)峽谷橋址處風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了峽谷橋址處風(fēng)場(chǎng)的詳細(xì)分布特性，可為山區(qū)峽谷地形紊流場(chǎng)精細(xì)化數(shù)值模擬提供參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)峽谷；諧波合成；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；脈動(dòng)風(fēng)速；大渦模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU311.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的大跨度橋梁建成并投入使用。在復(fù)雜的峽谷地區(qū)，由于地形起伏大、地貌多樣，風(fēng)環(huán)境極為復(fù)雜，平原、海洋地區(qū)通常使用的各向同性地貌條件對(duì)山區(qū)峽谷地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的描述不再適用。橋址處風(fēng)場(chǎng)受周邊山體影響，有顯著的非定常效應(yīng)，風(fēng)場(chǎng)脈動(dòng)劇烈，紊流風(fēng)引起的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題相比于跨江、跨海橋梁更顯突出，而目前人們對(duì)這些地區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)分布研究還相對(duì)較少，現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)還不足以形成規(guī)范性的條文。因此，加強(qiáng)對(duì)山區(qū)峽谷橋址處的風(fēng)特性認(rèn)識(shí)已成為了廣大研究者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，對(duì)山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)的研究手段主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是對(duì)峽谷風(fēng)場(chǎng)研究最為直接和有效的方法，許多學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了工作，本文以澧水大橋所在峽谷為研究背景，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)橋址所在峽谷進(jìn)行了風(fēng)速監(jiān)測(cè)，然后運(yùn)用諧波合成法將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行等效處理后賦給數(shù)值模擬的人口邊界?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雖然可為數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提供寶貴的參考，但是其不足的是實(shí)驗(yàn)條件難以控制、投資較大、管理維護(hù)困難、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相類(lèi)似，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也是山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)研究的重要手段，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雖然具有多工況、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但由于物理風(fēng)洞本身尺寸的限制，對(duì)于大區(qū)域山體地形，即使將風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤s小到最小尺度，在模型邊界上仍然會(huì)出現(xiàn)人為的峭壁，同時(shí)，也無(wú)法保證來(lái)流入口邊界條件（如風(fēng)剖面、湍流度）與實(shí)際情況一致，從而導(dǎo)致結(jié)果失真，特別是在大比例模型試驗(yàn)中變換風(fēng)向角時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)確性尤其值得商榷。

相比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法發(fā)展很快，已被越來(lái)越多的研究者所應(yīng)用。由于數(shù)值模擬不受時(shí)間和空間限制，具有可重復(fù)、消耗人力物力資源少等優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了研究。對(duì)于復(fù)雜山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)，CFD雖然具備模擬大區(qū)域地形的優(yōu)勢(shì)，但依然存在一系列問(wèn)題，如人口邊界的合理給定問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題的研究，Maurizi等用1/10的斜坡作為氣流過(guò)渡段來(lái)處理入口邊界峭壁問(wèn)題，但其斜坡形式較為簡(jiǎn)單，適用性有待驗(yàn)證；胡朋等采用曲線過(guò)渡段的辦法對(duì)峽谷人口進(jìn)行處理，不足的是這種辦法會(huì)引起人為的來(lái)流風(fēng)攻角。相比平原或洋面風(fēng)場(chǎng)，山區(qū)地形風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬涉及分離流、高雷諾數(shù)湍流和強(qiáng)三維流動(dòng)等復(fù)雜的空氣流動(dòng)，其核心是湍流問(wèn)題。上述學(xué)者用雷諾平均湍流模型對(duì)其進(jìn)行研究，其時(shí)均化過(guò)程中丟失了大量的脈動(dòng)信息。目前普遍認(rèn)為比較有潛力的大渦模擬（LES）在計(jì)算風(fēng)工程中體現(xiàn)出優(yōu)越性，但LES的合理脈動(dòng)人口給定還有待進(jìn)一步研究，Uchida和Ohya采用大渦模擬的方法對(duì)9.5 km×5 km區(qū)域范圍內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，使用粗糙元制造脈動(dòng)風(fēng)，但其粗糙元的擺放產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)可調(diào)性差，與實(shí)際的邊界條件仍存在一些出入，而正確的人口脈動(dòng)信息給定是計(jì)算結(jié)果正確性的重要保證，因此，山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)特性數(shù)值模擬時(shí)人口邊界條件中脈動(dòng)的合理施加是當(dāng)前數(shù)值模擬方法迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文以澧水大橋所在峽谷為研究背景，建立了山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋址上游及橋址附近風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了真實(shí)有效的記錄，基于諧波合成法將監(jiān)測(cè)的實(shí)際風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行等效，通過(guò)對(duì)商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，較好地處理了山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中脈動(dòng)人口給定問(wèn)題。同時(shí)用本文所提方法和無(wú)脈動(dòng)人口計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，本文所用方法更能體現(xiàn)山區(qū)峽谷風(fēng)場(chǎng)的真實(shí)流態(tài)。最后在脈動(dòng)人口邊界條件基礎(chǔ)上對(duì)不同風(fēng)向角作用下的山區(qū)峽谷橋址處風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1工程背景

本文以張花高速澧水大橋所在峽谷為研究背景。橋梁主跨為856 m，屬典型的山區(qū)峽谷大跨徑橋梁，橋位所處峽谷谷頂寬420 m，谷頂與谷底高差280 m，橋位布置如圖1所示。

1.2風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

澧水大橋風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由觀測(cè)站、橋塔站和橋跨站組成。觀測(cè)站根據(jù)盛行風(fēng)方向設(shè)立在橋址西南側(cè)，位于本文數(shù)值模擬人口附近，監(jiān)測(cè)站風(fēng)速儀布置在平坦地區(qū)，可認(rèn)為其風(fēng)場(chǎng)特性與數(shù)值模擬人口接近，其特性可為數(shù)值模擬的入口邊界條件取值提供參考，風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀布置高度離地面10 m，如圖2所示。

橋跨站由3個(gè)Young 81000三維超聲風(fēng)速儀組成，布置位置為盛行風(fēng)方向同側(cè)。橋塔站也沿高度布置了3個(gè)Young 81000三維超聲風(fēng)速儀，具體位置如圖1所示（其中星形標(biāo)識(shí)為風(fēng)速儀安裝位置），風(fēng)速儀采樣頻率為4 Hz。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)速時(shí)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，課題組利用GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至長(zhǎng)沙理工大學(xué)風(fēng)速采集中心。

1.3峽谷處風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為得到峽谷風(fēng)場(chǎng)特性，通過(guò)對(duì)2014年8月的風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行分析，得到了觀測(cè)站和橋跨站的風(fēng)玫瑰圖，如圖3所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)8月主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)向與觀測(cè)站風(fēng)速儀布置方位一致。同時(shí)，對(duì)橋塔不同高度風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了強(qiáng)風(fēng)作用下風(fēng)剖面a值出現(xiàn)次數(shù)分布情況，如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)a值呈正態(tài)分布，均值為0.3011，綜合考慮澧水大橋橋位地形條件，本文α值取0.3。

為使數(shù)值模擬來(lái)流風(fēng)向角與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)保持一致，本文風(fēng)速時(shí)程取自2014年8月29日觀測(cè)站實(shí)測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)該天的風(fēng)速取日平均，得到了該天的日平均風(fēng)速為4.43 m/s，日平均風(fēng)向角約為180°，風(fēng)速和風(fēng)向角時(shí)程如圖5所示，湍流強(qiáng)度用公式I_i=σ_i/U（i=x，y，z）進(jìn)行求解，通過(guò)分析風(fēng)速時(shí)程可得模擬當(dāng)天的日平均湍流強(qiáng)度為20.6%。

對(duì)監(jiān)測(cè)站風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)譜分析，時(shí)間步長(zhǎng)采用0.25 s，用Kaimal譜形式進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。

其功率譜擬合公式可表示為：

（1）式中：S_u（n）為順風(fēng)向功率譜密度函數(shù)；n為風(fēng)的脈動(dòng)頻率，f=nZ/U（z）；u^*為氣流摩阻系數(shù)。

2數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

2.1模擬區(qū)域與網(wǎng)格劃分

幾何模型建立過(guò)程中，首先通過(guò)空間地理數(shù)據(jù)云獲得大范圍的地形高程數(shù)據(jù)，然后用GlobalMapper做進(jìn)一步處理，從而得到目標(biāo)區(qū)域的地形模型。山體模型采用實(shí)際尺寸，計(jì)算區(qū)域大小取10 km×9 km×4 km，如圖7所示。

為保證計(jì)算精度，數(shù)值模型采用全六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格在近地面進(jìn)行加密，最底層網(wǎng)格高度為1 m，高度方向在近地面處網(wǎng)格延伸率為1.05，遠(yuǎn)離地面網(wǎng)格延伸率為1.15，總網(wǎng)格數(shù)為6 752 495，計(jì)算網(wǎng)格通過(guò)了無(wú)關(guān)性測(cè)試，如圖8所示。

2.2邊界條件與計(jì)算參數(shù)設(shè)置

本文數(shù)值模型入口處最低高程為164 m，橋跨站風(fēng)速儀安裝高度為505 m，橋塔站風(fēng)速儀安裝高度為620 m，為使峽谷風(fēng)場(chǎng)人口速度盡量接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，本文人口邊界條件包含了平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分，平均風(fēng)速采用分段函數(shù)形式給定，其中，近地面處采用指數(shù)率形式。為使風(fēng)速在峽谷內(nèi)的變化趨勢(shì)接近實(shí)際情況，本文指數(shù)率變化段高度取836m。平均風(fēng)剖面的具體表達(dá)形式為：當(dāng)Z≤164 m時(shí)，速度為0 m/s；當(dāng)164 m

V=0 m/s，Z≤164 m；

（2）

V=7.5 m/s，Z≥1000 m。

本文脈動(dòng)風(fēng)速是基于諧波合成法合成的，合成過(guò)程中功率譜根據(jù)觀測(cè)站風(fēng)速時(shí)程等效而來(lái)，因此，本文所用人口邊界能夠滿足觀測(cè)站的風(fēng)場(chǎng)特性。通過(guò)編制UDF程序?qū)ι虡I(yè)軟件Fluent進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將合成的隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程賦給數(shù)值模型人口所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格坐標(biāo)，其中順風(fēng)向功率譜采用公式（1）所述形式，豎向功率譜采用Lumley and Panofsky譜，可表示為：

（3）

（4）式中：S_n（n）為脈動(dòng)風(fēng)豎向功率譜密度函數(shù)；Z為地面高度；K為無(wú)量綱常數(shù)，本文取K=0.4；z₀為地表粗糙高度，本文取z₀=1 m；z_d=H—z₀/k，H為周?chē)ㄖ锲骄叨取?/p>

本文在數(shù)值模擬過(guò)程中，除人口邊界條件采用用戶自定義外，地表采用無(wú)滑移邊界條件，頂面采用自由滑移邊界條件，側(cè)面采用對(duì)稱(chēng)邊界，出口采用壓力出口邊界。求解方面，本文的N-S方程采用PISO方法進(jìn)行求解，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階中心差分格式，用超松弛方法（SOR）求解壓力Poisson方程，壓力和動(dòng)量松弛因子分別取0.3和0.7，在滿足柯朗數(shù)（CFL）的前提下，時(shí)間步長(zhǎng)取0.1 s。

2.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

數(shù)值模擬過(guò)程中，在主梁水平方向布置了9個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎向方向在1/2跨，3/5跨，7/10跨處分別布置了20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置如圖9所示。

3結(jié)果驗(yàn)證

數(shù)值模擬考慮了2種工況，工況1為利用本文所提方法作為人口邊界，工況2為不考慮脈動(dòng)信息入口邊界，2種工況除人口邊界條件不同外，其余邊界條件與計(jì)算參數(shù)均保持一致。整個(gè)過(guò)程采用超線程48核工作站進(jìn)行計(jì)算，2種工況的速度云圖如圖10所示。

從圖中可發(fā)現(xiàn)，考慮脈動(dòng)人口的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果相比無(wú)脈動(dòng)人口情況體現(xiàn)出了明顯的脈動(dòng)效應(yīng)。對(duì)整體風(fēng)速而言，兩者在高度方向均能體現(xiàn)梯度效應(yīng)，但對(duì)于局部風(fēng)速，考慮脈動(dòng)作用下的風(fēng)場(chǎng)由于有漩渦的影響，最大值要大于不考慮脈動(dòng)情況，出現(xiàn)的最大風(fēng)速為10.1 m/s，而不考慮脈動(dòng)人口的最大風(fēng)速為7.7 m/s。

3.1速度時(shí)程

對(duì)數(shù)值模型中橋跨站風(fēng)速儀和橋塔站風(fēng)速儀安裝的相同位置進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測(cè)，用模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的平均值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果存在一些偏差，主要是由于人口邊界條件無(wú)法跟實(shí)際保持完全一致和復(fù)雜地形中樹(shù)木等障礙物改變了風(fēng)場(chǎng)的局部特性。

3.2湍流度

圖11給出了工況1作用下橋址跨中的風(fēng)速和風(fēng)向角時(shí)程，根據(jù)上文中湍流強(qiáng)度剖面的定義計(jì)算出來(lái)，圖12給出了工況1作用下橋塔站和橋跨站所在位置的湍流度剖面。從圖中可發(fā)現(xiàn)近地面脈動(dòng)情況要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離地面處，當(dāng)高度大于1 000 m后，湍流度值基本趨于穩(wěn)定，主要原因是當(dāng)高度大于1 000m時(shí)風(fēng)場(chǎng)沒(méi)有受到山體地形影響。為了更好地說(shuō)明本文所提方法的優(yōu)越性，將2種工況作用下橋跨站和橋塔站的湍流度與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

從表中可發(fā)現(xiàn)考慮脈動(dòng)人口作用下的湍流度要明顯高于不考慮脈動(dòng)情況，說(shuō)明不考慮脈動(dòng)風(fēng)作用下橋址處風(fēng)速波動(dòng)較小，沒(méi)有體現(xiàn)出良好的三維紊流特性。相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮脈動(dòng)信息作用下的模擬結(jié)果其吻合程度要明顯優(yōu)于不考慮脈動(dòng)情況。但即使考慮了脈動(dòng)人口邊界，橋塔站和橋跨站湍流度相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果還是偏小，主要原因有兩點(diǎn)，一是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速屬于陣風(fēng)，離散大，而數(shù)值模擬的風(fēng)場(chǎng)相對(duì)實(shí)測(cè)值更為連續(xù)；二是大渦模擬過(guò)程中由于亞格子模型和網(wǎng)格尺寸的影響，湍流度會(huì)出現(xiàn)耗散現(xiàn)象，因此導(dǎo)致湍流度值偏小。

3.3功率譜及相關(guān)性

對(duì)不同人口來(lái)流作用下橋跨站和橋塔站的風(fēng)譜模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖13至圖16所示。其中圖13和圖14分別為橋跨站順風(fēng)向和豎向的功率譜對(duì)比圖，圖15和圖16分別為橋塔站順風(fēng)向和豎向的功率譜對(duì)比圖。從圖中可明顯觀察到考慮脈動(dòng)人口邊界條件模擬的功率譜能量值要明顯大于不考慮脈動(dòng)情況，且與實(shí)測(cè)譜吻合更好，特別是在大跨度橋梁抗風(fēng)中所關(guān)注的頻率段（0.1～1 Hz），考慮脈動(dòng)人口的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本一致，體現(xiàn)出了本文所提方法的正確性，也證明了本文所用方法能較好地適用于山區(qū)大跨度橋梁。在頻率大于1 Hz后，數(shù)值模擬的頻率值相對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)下降，主要原因是數(shù)值模擬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)頻率衰減現(xiàn)象，加密網(wǎng)格和優(yōu)化大渦模擬亞格子模型會(huì)改善此問(wèn)題。與此同時(shí)，本文對(duì)橋跨站與橋塔站2點(diǎn)的風(fēng)速相關(guān)性進(jìn)行了分析，由于橋塔站和橋跨站2點(diǎn)相距600 m，其相關(guān)性非常微弱，幾乎可以等效為相互獨(dú)立情況。

4脈動(dòng)入口作用下峽谷風(fēng)場(chǎng)分析

將2種不同人口邊界條件模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不論是在湍流度方面還是在風(fēng)譜方面，考慮脈動(dòng)人口邊界情況相比不考慮脈動(dòng)情況其模擬結(jié)果具有較大的優(yōu)勢(shì)。為得到不同風(fēng)向角作用下峽谷橋址處的詳細(xì)風(fēng)場(chǎng)特性，本文在考慮脈動(dòng)人口邊界條件的前提下，以橋軸線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，用7個(gè)不同風(fēng)向角對(duì)橋址風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了分析，每個(gè)風(fēng)向角相隔20°，如圖17所示，其中x，y代表地形坐標(biāo)系，x'，y'代表橋軸坐標(biāo)系。

4.1不同風(fēng)向角作用下計(jì)算結(jié)果

圖18給出了不同工況作用下峽谷橋址風(fēng)場(chǎng)的速度云圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)向角作用下橋址處風(fēng)速具有明顯的差異，在局部區(qū)域風(fēng)速出現(xiàn)負(fù)值；在同一風(fēng)向角作用下隨主梁位置不同風(fēng)速也有所不同，因此說(shuō)明了復(fù)雜的山體地形對(duì)橋址處風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)了很大的擾動(dòng)。

圖19給出了工況1和工況5作用下主梁順橋向、橫橋向和豎向方向的風(fēng)速分布情況。這2種工況所對(duì)應(yīng)的風(fēng)攻角與風(fēng)向角分布情況如圖20所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)，主梁跨中與端部風(fēng)速在3個(gè)方向上均有所不同。同時(shí)，風(fēng)向角和風(fēng)攻角也具有明顯的差異，工況1作用下主梁處的風(fēng)攻角最大值為10.2°，最小值為-9.6°，波動(dòng)范圍較大，而風(fēng)攻角又是橋梁風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)中非常重要的參數(shù)之一，需引起重視。

4.2不同工況作用下風(fēng)速放大系數(shù)與風(fēng)剖面分析

圖9中主梁3～7號(hào)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于主梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)、氣動(dòng)力較為顯著的部位，對(duì)這5點(diǎn)的速度時(shí)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后取平均。風(fēng)速放大效應(yīng)系數(shù)為主梁所在位置的風(fēng)速與主梁同一高度入口處風(fēng)速的比值。本文對(duì)峽谷風(fēng)速放大系數(shù)和峽谷橫橋方向風(fēng)速放大系數(shù)進(jìn)行了分析，其中，橫橋方向風(fēng)速放大系數(shù)為風(fēng)速通過(guò)三角分解后換算到主梁橫向上的放大系數(shù)，各工況作用下風(fēng)速放大系數(shù)與橫橋方向風(fēng)速放大系數(shù)見(jiàn)表2。從表中可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速放大系數(shù)均小于1，因此表明橋址處沒(méi)有出現(xiàn)峽谷加速效應(yīng)，工況1和工況2作用下峽谷風(fēng)速放大系數(shù)較大，主要原因是峽谷走向與來(lái)流風(fēng)向一致，當(dāng)峽谷走向與來(lái)流風(fēng)向角偏差較大時(shí)，風(fēng)速放大系數(shù)明顯減小，因此表明峽谷風(fēng)速放大效應(yīng)主要受峽谷走向與來(lái)流風(fēng)向影響。對(duì)于橫向風(fēng)速放大系數(shù)，工況4和工況5相對(duì)較大，是由于這2個(gè)工況下風(fēng)向角與主梁軸線方向垂直，來(lái)流風(fēng)未被三角分解而直接作用在主梁上，在風(fēng)速相同時(shí)，此類(lèi)風(fēng)向角來(lái)流風(fēng)作用在主梁上的風(fēng)致效應(yīng)更為明顯，需引起重視。

對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)而言，最為敏感的風(fēng)速為作用在橋橫向方向的風(fēng)速。圖21給出了不同風(fēng)向角作用下橋址3/5跨位置經(jīng)三角分解后作用在橋橫向方向風(fēng)速剖面圖。

從圖中可發(fā)現(xiàn)，在低于1 200 m時(shí)，風(fēng)速沿高度變化無(wú)明顯規(guī)律，主要原因是在1 200 m以下時(shí)風(fēng)場(chǎng)受峽谷和山體等障礙物影響，風(fēng)場(chǎng)紊亂，變化復(fù)雜。在高于1200 m時(shí)，風(fēng)速受地形因素影響較小，基本趨于穩(wěn)定。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在工況5作用下，主梁所受橫向風(fēng)速最大，工況1作用下最小，主要原因是風(fēng)向與主梁軸線之間夾角所致，從所用工況結(jié)果可發(fā)現(xiàn)風(fēng)向與主梁夾角越小，橫橋向風(fēng)速越小。

5結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)澧水大橋所在峽谷風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬，得到了以下成果和結(jié)論：

1）對(duì)澧水大橋橋址上游觀測(cè)站進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了觀測(cè)站的風(fēng)場(chǎng)特性，給山區(qū)峽谷地形風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬人口邊界條件的選擇提供了重要依據(jù)。

2）利用諧波合成法對(duì)橋址上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)特性進(jìn)行等效處理，基于對(duì)商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提出了一種能滿足當(dāng)?shù)貙?shí)際風(fēng)場(chǎng)特性的大渦模擬脈動(dòng)人口邊界給定方法。

3）對(duì)橋址處風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)橋址水平方向和豎向方向風(fēng)速變化差異較大；人口風(fēng)向與峽谷走向之間夾角是影響峽谷加速效應(yīng)的主要因素，人口風(fēng)向和主梁軸線夾角是影響主梁受到橫向風(fēng)速大小的主要原因。