山区地形大跨桥梁复杂多变的桥位风

湖南赤石大桥

随着我国交通基础设施建设的进一步推进，跨海湾、山区峡谷大跨桥梁的建设逐渐成为近年来大跨度桥梁建设的重点。由于山区地形起伏较大，山区地形桥位风具有明显的局部特性，因此山区地形大跨桥梁抗风性能研究也成为当前桥梁风工程领域研究的热点问题之一。山区地形桥位风特性研究方法主要有地形模型风洞试验、现场实测和计算流体动力学数值模拟（CFD）三大类。

由于山区地形桥位风特性具有复杂性，目前的研究成果大多是结合具体工程开展，且多侧重于良态风特性研究。关于局部风效应（如雷暴等）对桥梁结构效应的研究相对较少；大跨桥梁风振响应实测研究则多针对开阔区域桥位桥梁，对山区地形桥位风振响应实测则相对较少。本文对山区地形桥位风特性分别进行风洞试验和现场实测研究。

典型桥位风特性试验

当桥梁跨越山区峡谷时，顺峡谷方向风对桥梁设计风速的确定具有重要影响。为了对山区峡谷地形桥位风特性进行数值模拟研究，从而与实测数据对比分析，按照“由简单到复杂”的思路，以研究顺峡谷方向来的峡谷风时典型二维山体的风场特性为目的，进行不同形状山体的风洞试验研究，分析山体形状对风场特性的影响。为了设计具有山区峡谷大跨桥梁桥位地形特点的典型二维山体，借助Google Earth软件得到湖南矮寨大桥、云南普立大桥、湖南赤石大桥、贵州坝陵河大桥、湖北四渡河大桥和贵州清水河大桥等六座跨越山区峡谷大跨桥梁桥位处的地形图和对应地形立面图，限于篇幅仅给出部分桥梁桥位地形图。

图1 部分山区峡谷桥位地形

山区地形桥位大致可归纳为对称V形峡谷、对称U形峡谷和不对称V形峡谷三大类。在综合调研国内外复杂山区地形模型风洞试验研究成果的基础上，设计了三套不同坡度的地形模型，即XG-1、XG-2及XG-3，分别由2块主体模型和4块缓和导风板组成，山体高度取200m，试验模型的缩尺比是1:1000。地形模型风洞试验在湖南大学HD-2边界层风洞的高速试验段进行。该试验段尺寸为17m(长)×3m(宽)×2.5m(高)。在风洞中采用“尖劈+粗糙元”方法进行B类地貌风场的模拟。采用TFI公司眼镜蛇探针（精度0.2m/s）和移测架进行风速测试，试验模型照片如图2所示。测点沿横风向布置11～15个测试位置，每个测试位置沿高度方向布置12个测点，间隔5cm。试验来流为B类流场。

图2 典型峡谷模型风洞实验照片

图3所示分别为这三类地形顺峡谷方向吹风时对应的平均风速加速比等值线图。在图3（a）中，横风切面内所有测点不同高度处均出现了风速增大现象，在山顶和侧风面的3/4山坡位置的风速相差不大，在山顶位置增速最大；平均风加速比靠近山体表面处最大，沿着高度递减；在同一高度处，中间测点风速加速比，小于两侧测点风速加速比。在图3（b）中，不对称V形峡谷的风速加速情况总体与对称V形峡谷接近，缓坡面的加速比变化小于陡坡面；同一高度处风速加速比相差不大。通过图3（c）发现，U形对称坡度山体风场整体规律与V形对称坡度山体风场风速加速比相似，U形谷底的风速与来流风速基本一致；在同一高度处山脚位置以外的两侧测点的加速比沿山脚位置方向逐渐变小，而山脚位置加速比沿中间位置方向则逐渐增大。

图3 典型地形顺峡谷方向吹风时横风切面平均风速加速比等值线图

桥位地形风特性现场实测

赤石大桥在桥塔施工过程中，桥位附近于2013年3月20日、3月24日出现过两次较大风速，10米高度瞬时最大风速（3s时距）分别达32.0m/s和30.0m/s，造成了施工工棚和临时设施的破坏。综合考虑桥位地形比较复杂，且施工过程中出现了多次突发性大风情况，由于大桥在双悬臂施工时工期较长，且桥位附近风速分布较为复杂，有必要对大桥桥位处风速和风致振动响应进行监测，及时准确地获得大桥桥面、桥塔高度处的风速，为大桥施工期抗风措施研究，提供必要的数据。根据大桥施工进度，共分三期对该桥桥位地形风特性进行实测研究。

第一期桥位风特性实测结果

第一期桥位风特性实测期是2013年5月—2013年12月，由于桥塔尚未封顶，所以风速仪只能安装在施工塔吊上，鉴于塔吊在施工过程中不断旋转，故只能测出相应的风速大小，而不能获得风向。风速仪采用美国YOUNG公司的05103L型二维机械式风速仪，采样频率为1Hz。从第一期桥位风特性实测平均风速数据曲线中发现，观测期7号塔与8号塔的平均风速总体比较接近；桥位处存在瞬时突发大风现象，瞬时风速由2～3m/s在短时间内增大至26.4m/s。

第二期桥位风特性实测结果

第二期桥位风特性实测期是2014年1月—2014年6月12日，当时风速仪布置在6#、7#桥塔顶位置，桥面风速仪靠近主梁边缘，风速仪距离桥面高度为6m，桥塔塔顶风速仪布置在桥塔塔顶边缘，风速仪距离塔顶高度为3m。

在第二期桥位风观测期间，得到了6、7#桥塔塔顶、桥面高度处测点的日最大风速时程曲线。在观测期大风天气（2014年5月15日）6-2#、3#及7-2#、3#测点对应的风速时程曲线和风向散点图中发现，该大风天气大风时段主导风向角为0度左右，即为北风；6号塔桥面高度处测点（6-3#）风速较桥塔塔顶测点（6-2#）风速略大；7号塔桥面高度处测点（7-3#）风速与桥塔塔顶测点（7-2#）风速相近。在观测期大风天气（2014年6月1日）6-2#、6-3#及7-2#、7-3#测点对应的风速时程曲线和风向散点图中，该天气大风时段主导风向角为180度附近，即为南风；6#塔塔顶（6-2#测点）大风时段最大瞬时风速为16.8m/s，6#塔桥面高度处（6-3#测点）瞬时风速为11.6m/s；7#塔塔顶（7-2#测点）大风时段最大瞬时风速为17.8m/s，7#塔桥面高度处（7-3#测点）瞬时最大风速为12.2m/s。即7#塔塔顶瞬时最大风速较6#塔塔顶瞬时最大风速偏大约1.0m/s，7#塔桥面高度处的瞬时风速，较6#塔桥面高度处瞬时风速偏大约0.6m/s。主导风向为南风时，6#、7#桥塔塔顶的瞬时风速，较相应桥面高度处瞬时风速分别偏大5.2m/s和5.6m/s。

图4 第二期桥位风观测风速仪及加速度传感器安装完成后照片

第三期桥位风特性实测结果

第三期桥位风特性实测期是2014年6月13日～2015年12月31日，桥面风速仪位置由靠近桥塔桥面高度处位置移至主跨1/4处，相应风速测点编号不变。

从得到的第三期观测期间6、7#塔塔顶日最大风速时程曲线，以及第三期桥位风特性实测时段大风天气6号塔、7号塔对应的桥面高度处、桥塔塔顶风速和风向时程曲线中可以看出，从2014年7月12日17:00开始，桥塔塔顶和桥面高度处风速由3m/s左右逐渐增加,在17:30达到最大风速，约为23m/s；随后风速逐渐减小，在18:00风速减小至3m/s左右，且风向基本保持在200～280度之间，即为西南风。

在2013年5月19日至2014年12月31日的整个观测期内共出现了17次突变风现象。值得注意的是，观测点风速与良态边界层风的风速时程差异较大，可能为由局部气象条件引起的雷暴现象（下击瀑流），其风特性及对桥梁结构抗风性能的影响尚需进一步研究。

结合我国山区地形大跨桥梁实际桥位地形情况，对山区地形桥位风特性进行试验与现场实测研究，对于试验所研究的三种典型地形均在山顶和侧风面位置出现了明显的风加速效应，同一高度中间位置风速加速比小于两侧风速加速比。在赤石大桥桥位处观测期发生了瞬时突发大风现象，即风速在短时间内急剧增大。对于存在下击暴流可能性的山区大跨桥梁建议考虑下击暴流风对大跨桥梁抗风性能的影响。