洞庭湖大桥桥面风场特性实测研究
2017-03-20
随着大跨度桥梁结构的迅速发展，风荷载已成为桥梁设计时最重要的参考因素，获取准确的风场和风压特性参数对桥梁抗风设计至关重要。风场特性参数会随着地理环境的变化而显著变，所以风洞试验和数值计算很难模拟出桥梁结构真实的受力状况，而现场实测刚好能弥补这一点。国外学者在这方面的研究比较早， Kanda 等[1]总结了日本20世纪70年代后的高层建筑风场实测的研究成果。Geurts等[2]对试验建筑进行了风场和风压的全方位测量。王浩多次测量了润扬长江大桥的强季风和台风数据，得到了非常有用的实测结果。本文在西部课题的支持下，于 2013年11月23、24日，对洞庭湖大桥桥面进行了风速现场实测，采集了大量的有用数据，并分析获得了一些有用结果，为桥梁抗风设计提供一定参考。
一、风场特性实测
本实验采用RM Young 81000三向超声风速仪进行风速采集，风速仪安装在桥面主跨跨中，离湖面高30m，风速仪N极平行于桥轴线指向岳阳侧，风向以顺时针为正。
二、风场特性参数
三维风速，和是风速仪坐标下，和方向的实数序列，按基本时距分析，则水平风速，风向角，风攻角可表示为：
式中，为向的脉动风均方根，为平均风速，本文阵风持续时间取3s。
三、桥面风场特性分析
洞庭湖桥面的10min平均风速、风向和风攻角时程曲线，可以看出，洞庭湖大桥桥面风速主要集中在5～11m/s；风向角主要集中在210。～240。之间，风向稳定；风攻角变化范围较小，主要集中在0。～4。之间。
风攻角是指由于地形的影响， 近地风与水平面的倾斜角，它与风速无必然联系。随着风速增大，风攻角变小，这主要是风速增大，风场稳定性变强，不易受近地物体的影响。10min平均风攻角与风向角的关系，可以看出，随着风向角增大，风攻角也增大，主要原因是桥面对风场的干扰，不同风向的风场的流线不同，使得风攻角变化较大。
图1是10min平均紊流度和阵风因子时程曲线，从统计结果来看，洞庭湖大桥桥面风场的纵向紊流度和阵风因子均较小，接近《公路桥梁抗风设计规范》中I类场地推荐值0.13和1.38，洞庭湖大桥属于I类地貌。
为横、纵紊流度的相关性，直线拟合结果为，略去尾数0.0042，，比规范的推荐值为要略大；同样，横、纵阵风因子也存在一定的相关性，横、纵阵风因子关系拟合结果为。
四、结论
1、实测得到了洞庭湖大桥桥面风场数据，分析了桥面的风场的紊流度和阵风因子，结果表明，洞庭湖桥面的横向紊流度，略大于规范推荐的，紊流度和阵风因子都较小，属于规范里的I类地貌。
2、随着风速增大，风场稳定性增强，风攻角变小；紊流度越大，阵风因子越大，其关系可以近似用正相关函数拟合。
参考文献：
[1]Hui Li， Shujin Laima，Jinping Ou，etal. Investigation of vortex-induced vibration of a suspension bridge with two separated steel box girders based on field measurements[J]. Engineering Structures 33 （2011），1894�C1907.
[2]庞加斌，宋锦忠，林志兴.四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析[J].中国公路学报，2010，23（3）：42-47.
