西堠门大桥桥址处风场特性研究

刘 明，廖海黎，李明水，马存明

(西南交通大学 风工程试验研究中心，成都 610031)

风特性的现场观测是结构风工程的主要研究方法之一，尤其是强风期间在实桥上观测桥址区的风特性以及桥梁风致振动的特征和主要参数。对于沿海台风多发地区，大型结构受强风影响更为突出和频繁，风荷载成为作用于结构上的主要荷载之一。为了能够准确计算出作用在结构上的风特性，需要对该地区进行大量风实测，然后对实测数据进行统计分析。本文利用西堠门大桥中桥址处风速仪采集的数据，对桥址区风场特性进行了较为细致的分析，为该桥的抗风安全性评估提供了依据。同时可为其他大型结构，尤其是浙江省其他跨海大桥的抗风提供参考。

1 工程概述

风场实测地点在浙江舟山西堠门大桥桥面上。由于该桥所在地区天气气候复杂，灾害性天气特别是台风、龙卷风、强风天气出现的频率较内陆地区明显增多，因此该桥的抗风特性不仅成为该桥施工期和运营期结构安全性的控制因素，也成为其建设进度的重要影响因素。

脉动风记录采用美国Young公司生产的81000型三维超声风速仪。该风速仪能适应各种恶劣气候，实现对风速风向的精确测量。超声风速仪固定在距桥面约3 m高处，距离海平面约68 m(见图1)。

图1 西堠门大桥桥面风速仪布置(单位:m)

2 脉动风特性计算

2.1 平均风速和平均方位角

81000型风速仪输出的每组数据包含4个数，分别为风速U，方位角β，攻角α，和大气温度。方位角β为来流与北向顺时针的夹角。取10 min作为样本的平均时段，计算每个样本的U、¯β、¯α，此即为每个样本的平均风速 U，和平均风向(¯β，¯α)，图 2、图 3 分别为一次大风过程中，4个风速仪连续观测的风特性实测结果。从中可以看出，四个风速仪输出的平均风速相接近。整个持续阶段内平均风速为9.83 m/s，其中最大10 min平均风速为19.4 m/s。

图2 10 min时距的平均风速

图3 10 min时距的平均风向角

2.2 紊流强度和阵风因子

紊流强度和阵风因子是反映大型结构物风致振动的两个重要参数。紊流强度表示紊流中脉动量与平均量的比值，作为确定结构脉动风荷载的关键参数，定义为风的脉动分量平均变化幅度(均方差)与平均风速之比。根据我国规范，紊流度定义为10 min时距脉动风的标准方差与平均风速的比值，如式(1)

其中σi分别表示脉动风速三个方向 u(t)，v(t)和 w(t)的均方根。日本建筑学会推荐估算顺风向紊流强度的经验公式

4个风速仪平均 Iu、Iv和 Iw的平均值分别为 0.150、0.114 和 0.050。Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。式(2)中α为幂指数，根据《舟山大陆连岛工程气象观测、风参数研究专题报告》，取α=0.16;桥面离水面高度按平均潮位计算z=68 m，zG表示梯度风高度。由式(2)可得Iu=0.147，与实测Iu平均值0.15相近。图4为平均风速与紊流强度关系曲线，由图可见，随着平均风速的增大，紊流强度有降低的趋势。

风速的脉动强度也可用阵风因子表示。阵风因子通常定义为阵风持续期tg内平均风速的最大值与10 min时距的平均风速之比

结构风工程中定义阵风持续期为2～3 s，本文取tg=3 s，一般说tg越大，对应的阵风因子越小。当tg=10 min，Gu=1。

一些学者对顺风向紊流强度与阵风系数以及阵风持续时间之间关系进行了一些研究，Choi在实测风速基础上提出了如下经验公式

4个风速仪平均 Gu、Gv和 Gw的平均值分别为1.32、0.27和0.10。图5为阵风因子与平均风速之间的关系，由图可见，随着风速的增加，阵风因子逐渐减小。图6为阵风因子与紊流强度之间的关系曲线。本文采用的样本时间为10 min，tg=3 s。因此，将式(4)修正为

图4 顺风向、横风向、竖向紊流强度与10 min平均风速关系

图5 顺风向、横风向、竖向阵风因子与10 min平均风速关系曲线

图6 紊流强度与阵风因子关系

2.3 摩阻速度

摩阻速度表征了由于地面粗糙效应而引起的水平平均动量在垂直方向的损失，有时又称为剪切速度，其平方与Reynolds应力成正比。

式(6)在应用于实测数据分析时往往容易受到不稳定因素干扰，Tieleman和Mullins推荐采用平方和开方计算，即

对接近地面的实测数据而言，由于横向分量-v′w′很小，两式计算结果几乎没有差别。在处理高度较大的实测风速数据时，由于横向分量-′的波动较大，式(7)避免了两 Reynolds应力分量之和出现负值的可能。因此。本文采用式(7)计算摩阻速度。

如果大气边界层是稳定的，摩阻速度主要与地面粗糙程度和平均风速大小有关，此时它与纵向脉动速度的均方差也存在较好的比例关系。如果大气湍流脉动速度的功率谱密度函数满足Kaimal谱，那么摩阻速度和纵向脉动速度均方差之间的关系为:

图7为平均风速与摩阻速度平方值的相关曲线，由图可见，随着平均风速的升高，摩阻速度平方值有增加趋势。图8为纵向脉动速度方差与摩阻速度平方值之间的相关曲线，由图可见，两者间近似线性关系，用线性拟合可得到关系式(9)，拟合系数与理论计算结果不很一致。对每个具体时段而言，两者的关系很不稳定，因为实际大气边界层湍流很难满足中性稳定层的假设。

图7 平均风速与摩阻速度平方值的相关曲线

图8 纵向脉动速度方差与摩阻速度平方值的相关曲线

2.4 紊流功率谱

紊流功率谱密度函数是脉动风速时程的主要数字特征，能够准确反映出脉动风中个频率成分所作贡献的大小。Davenport曾根据世界上不同地点、不同高度处测得的强风记录拟合得到水平脉动风速谱，后来很多学者在此基础上进行了改进，目前我国桥梁抗风规范采用的是1972年Kaimal提出的表达式。

式中，Su(n)、Sw(n)为顺风向功率谱密度函数，n为脉动风频率;f=nz/U为莫宁坐标。

3 结论

本文利用安装在西堠门大桥桥面4个3-D超声风速仪，对西堠门大桥桥址处风场进行了长时间的连续观测，获得了长时段的稳定的强风数据样本。对风特性各种参数及其之间的关系进行了详细的分析研究，为进一步研究沿海地区风特性提供了有益的参考。

1)实测的脉动风紊流强度平均值分别为:Iu=0.15，Iv=0.114，Iw=0.05，三者的比值平均为 Iu∶Iv∶Iw=1∶0.75∶0.35。与我国《公路桥梁抗风设计指南》规定有一定差别，可能是因为本文结果为一次大风实测结果，若选取不同时段实测数据，其分析结果可能更接近规范值。

2)通过紊流强度和阵风因子与平均风速变化曲线可见，随着平均风速的升高，紊流强度和阵风因子有下降的趋势。修正后的经验公式能够很好地描述阵风因子与紊流强度之间的关系。

3)随着平均风速的升高，摩阻速度平方值有增加趋势。纵向脉动风速方差和摩阻速度平方间存在近似的线性关系=-0.18+2.53，与理论值6.0不很一致，表明摩阻速度容易受到大气湍流不稳定因素影响。

4)实测湍流功率谱曲线纵向分量接近于 Kaimal谱曲线，竖直分量接近于Panofsky谱曲线。实测谱与Panofsky曲线吻合程度较好，而纵向谱与 Kaimal谱吻合不是很好，实测湍流功率谱曲线在低频段比理论曲线略高，而在高频段的能量略低。

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