南廣鐵路西江大橋橋位風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究

南廣鐵路西江大橋橋位風(fēng)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)研究

1鐵路江大橋風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述了解結(jié)構(gòu)材料所在地的近風(fēng)特性，是結(jié)構(gòu)材料抗風(fēng)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的基本前提。本文以肇慶南廣鐵路西江大橋?yàn)楣こ瘫尘?依據(jù)大橋風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng),提取了系統(tǒng)自安裝日到2015年6月全天候風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性?xún)煞矫孢M(jìn)行研究,得到了基于橋址區(qū)復(fù)雜地形的風(fēng)場(chǎng)特性,研究成果可為大橋運(yùn)營(yíng)階段的行車(chē)安全性提供指導(dǎo)。2橋面風(fēng)環(huán)境概況南廣鐵路西江大橋位于廣東省肇慶市,為拱腳中心距450m的鋼箱提籃拱橋。孔跨布置為(41.2+50+386+50+49.1+32)m,矢跨比為1/4,橋面距拱頂73.5m,拱肋為鋼結(jié)構(gòu),橋面系采用結(jié)合梁體系。橋位處風(fēng)環(huán)境復(fù)雜,廣東肇慶位于亞熱帶季風(fēng)區(qū),受南海海洋氣流影響,是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)侵襲經(jīng)過(guò)的地區(qū);大橋又地處“西江三峽”三榕峽附近,受兩側(cè)山體影響,大橋遭受峽谷風(fēng)可能性較大。3試驗(yàn)平臺(tái)及安裝范圍西江大橋風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采用4臺(tái)英國(guó)Gill公司的Windsonic型二維超聲風(fēng)速儀,分別布置于上游南寧側(cè)(1號(hào),距跨中270m)、跨中(2號(hào))、上游廣州側(cè)(3號(hào),距跨中291m)、拱頂(4號(hào),距橋面73.53m),風(fēng)速儀編號(hào)及具體布置如圖1所示。為排除吊桿與拱肋對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響,安裝風(fēng)速儀時(shí)均將高出橋面與拱頂3m的鍍鋅鋼管固定于欄桿之上,其中跨中風(fēng)速儀安裝于跨中航標(biāo)平臺(tái),橫橋向距離橋面1.5m(見(jiàn)圖2)。Windsonic風(fēng)速測(cè)試范圍為0~60m/s,量程精度±2%;風(fēng)向測(cè)試范圍0°~359°,精度±3°。風(fēng)速儀采用全天候工作模式,采集頻率1Hz。4風(fēng)屬性統(tǒng)計(jì)方法4.1平均風(fēng)速的計(jì)算首先對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除數(shù)據(jù)樣本中的野點(diǎn)干擾。以10min為時(shí)距對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本分割,計(jì)算10min時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速。為保證計(jì)算分析的可靠性,排除了10min平均風(fēng)速小于4m/s(大約相當(dāng)于陣風(fēng)5級(jí)以上)的風(fēng)速樣本。4.2終身教育的比較利用矢量分解法由圖3~圖5可知,跨中風(fēng)速主要集中在3.5~5.5m/s,最大值為10.33m/s,最小值為2.93m/s,平均值為5.08m/s。10min時(shí)距日最大風(fēng)速多出現(xiàn)在NW、NNW和N三個(gè)方向,頻率分別為25.66%、18.42%和17.76%,且跨中日最大平均風(fēng)速呈現(xiàn)非高斯分布。4.3拱頂湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子為比較不同高度處脈動(dòng)風(fēng)特性,跨中橋面高度處和拱頂高度處的湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子概率分布如圖6、圖7所示。由圖6可知,跨中橋面湍流強(qiáng)度離散性較小,縱向湍流強(qiáng)度主要集中在[0.069,0.344],平均值為0.174;橫向湍流強(qiáng)度集中在[0.044,0.306],平均值為0.176。實(shí)測(cè)縱向湍流強(qiáng)度平均值略大于規(guī)范相對(duì)跨中湍流強(qiáng)度,拱頂處湍流度概率分布相對(duì)較為分散,其湍流強(qiáng)度縱向平均值為0.302,橫向?yàn)?.224。由于橋位地形風(fēng)場(chǎng)被打散為很多小的漩渦,增加了拱頂處的湍流強(qiáng)度。拱頂湍流強(qiáng)度縱向與橫向值均大于跨中值,因此,湍流強(qiáng)度并不隨高度的增加而減小。由圖7可知,拱頂陣風(fēng)因子概率分布也較為分散。數(shù)值上,拱頂陣風(fēng)因子縱向平均值為1.56,橫向平均值為0.40。拱頂處縱向與橫向陣風(fēng)因子值也大于跨中值,說(shuō)明拱頂處脈動(dòng)特性更強(qiáng),分析結(jié)果與湍流強(qiáng)度分析一致?？缰型牧鲝?qiáng)度縱向、橫向分量之間相關(guān)性如圖8所示。由圖8可知,縱向湍流強(qiáng)度分量I湍流強(qiáng)度與10min平均風(fēng)速、陣風(fēng)因子間的相關(guān)性如圖9所示。由圖9可知,湍流強(qiáng)度隨著平均風(fēng)速的增大而減小。即表征平均風(fēng)速越大,風(fēng)的脈動(dòng)特性越弱,反之風(fēng)越平穩(wěn)。盡管湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子為2個(gè)不同的脈動(dòng)風(fēng)特性參數(shù),但仍然具有一定的相關(guān)性,陣風(fēng)因子隨著湍流強(qiáng)度的增大呈增大趨勢(shì)。4.4存在的相關(guān)性積分尺度由圖10可知,跨中實(shí)測(cè)積分尺度概率分布較為集中,縱向積分尺度L同樣,積分尺度與其它脈動(dòng)參數(shù)也存在一定的相關(guān)性。跨中積分尺度與其10min平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度間相關(guān)性如圖11所示。由圖11可知,積分尺度隨平均風(fēng)速增大呈增大趨勢(shì),相反隨湍流強(qiáng)度增加呈減小趨勢(shì),相對(duì)橫向分量,縱向分量趨勢(shì)更明顯。表明風(fēng)速越小,湍流強(qiáng)度相應(yīng)越大,風(fēng)場(chǎng)中的大漩渦被分解為一系列小渦,使得風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)特性主要受小尺度漩渦影響。4.5拱頂脈動(dòng)風(fēng)功率譜分布功率譜運(yùn)用Welch法由圖12可知,實(shí)測(cè)跨中與拱頂功率譜在高頻段均與Kaimal譜吻合較好,而在低頻段(小于0.01Hz)拱頂脈動(dòng)風(fēng)功率譜比跨中吻合更好,且跨中脈動(dòng)風(fēng)功率譜在低頻段普遍低于Kaimal譜。4.6點(diǎn)位置風(fēng)速相關(guān)目前,風(fēng)速空間相關(guān)性的研究通常采用Davenport式中,n為頻率;C脈動(dòng)風(fēng)速空間相關(guān)性著重描述不同測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)速的相關(guān)程度,現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)中一般偏保守認(rèn)為風(fēng)荷載沿橋梁展向是完全相關(guān)的跨中與拱頂脈動(dòng)風(fēng)空間相關(guān)性與Davenport公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖13所示。由圖13可知,實(shí)測(cè)風(fēng)速沿橋梁豎向相關(guān)系數(shù)較小,屬于弱相關(guān)。與Davenport公式計(jì)算值對(duì)比可知,實(shí)測(cè)值在高頻段大于計(jì)算值,而在低頻段,計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。5實(shí)測(cè)湍流特征分析針對(duì)南廣鐵路西江大橋橋位處的地形特征,展開(kāi)了橋位處良態(tài)風(fēng)的持續(xù)觀測(cè),并通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,得到以下結(jié)論。(1)受地形影響,大橋橋位處日最大10min平均風(fēng)速呈現(xiàn)非高斯分布,且湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子并不隨高度變化而減小,相反表現(xiàn)為拱頂脈動(dòng)風(fēng)特性高于跨中的特征。(2)實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度、積分尺度平均值均大于規(guī)范推薦值。而縱向脈動(dòng)風(fēng)功率譜在高頻段與Kaimal吻合較好,而在