南廣鐵路西江大橋橋位風場特性實測研究

1鐵路江大橋風環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)概述了解結構材料所在地的近風特性，是結構材料抗風設計和檢驗的基本前提。本文以肇慶南廣鐵路西江大橋為工程背景,依據大橋風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng),提取了系統(tǒng)自安裝日到2015年6月全天候風環(huán)境監(jiān)測數據,從平均風特性和脈動風特性兩方面進行研究,得到了基于橋址區(qū)復雜地形的風場特性,研究成果可為大橋運營階段的行車安全性提供指導。2橋面風環(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?？卓绮贾脼?41.2+50+386+50+49.1+32)m,矢跨比為1/4,橋面距拱頂73.5m,拱肋為鋼結構,橋面系采用結合梁體系。橋位處風環(huán)境復雜,廣東肇慶位于亞熱帶季風區(qū),受南海海洋氣流影響,是臺風活動侵襲經過的地區(qū);大橋又地處“西江三峽”三榕峽附近,受兩側山體影響,大橋遭受峽谷風可能性較大。3試驗平臺及安裝范圍西江大橋風環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)采用4臺英國Gill公司的Windsonic型二維超聲風速儀,分別布置于上游南寧側(1號,距跨中270m)、跨中(2號)、上游廣州側(3號,距跨中291m)、拱頂(4號,距橋面73.53m),風速儀編號及具體布置如圖1所示。為排除吊桿與拱肋對風場的影響,安裝風速儀時均將高出橋面與拱頂3m的鍍鋅鋼管固定于欄桿之上,其中跨中風速儀安裝于跨中航標平臺,橫橋向距離橋面1.5m(見圖2)。Windsonic風速測試范圍為0~60m/s,量程精度±2%;風向測試范圍0°~359°,精度±3°。風速儀采用全天候工作模式,采集頻率1Hz。4風屬性統(tǒng)計方法4.1平均風速的計算首先對采集到的原始數據進行預處理,剔除數據樣本中的野點干擾。以10min為時距對所有數據進行樣本分割,計算10min時距內的平均風速。為保證計算分析的可靠性,排除了10min平均風速小于4m/s(大約相當于陣風5級以上)的風速樣本。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時距日最大風速多出現在NW、NNW和N三個方向,頻率分別為25.66%、18.42%和17.76%,且跨中日最大平均風速呈現非高斯分布。4.3拱頂湍流強度湍流強度和陣風因子為比較不同高度處脈動風特性,跨中橋面高度處和拱頂高度處的湍流強度與陣風因子概率分布如圖6、圖7所示。由圖6可知,跨中橋面湍流強度離散性較小,縱向湍流強度主要集中在[0.069,0.344],平均值為0.174;橫向湍流強度集中在[0.044,0.306],平均值為0.176。實測縱向湍流強度平均值略大于規(guī)范相對跨中湍流強度,拱頂處湍流度概率分布相對較為分散,其湍流強度縱向平均值為0.302,橫向為0.224。由于橋位地形風場被打散為很多小的漩渦,增加了拱頂處的湍流強度。拱頂湍流強度縱向與橫向值均大于跨中值,因此,湍流強度并不隨高度的增加而減小。由圖7可知,拱頂陣風因子概率分布也較為分散。數值上,拱頂陣風因子縱向平均值為1.56,橫向平均值為0.40。拱頂處縱向與橫向陣風因子值也大于跨中值,說明拱頂處脈動特性更強,分析結果與湍流強度分析一致?？缰型牧鲝姸瓤v向、橫向分量之間相關性如圖8所示。由圖8可知,縱向湍流強度分量I湍流強度與10min平均風速、陣風因子間的相關性如圖9所示。由圖9可知,湍流強度隨著平均風速的增大而減小。即表征平均風速越大,風的脈動特性越弱,反之風越平穩(wěn)。盡管湍流強度與陣風因子為2個不同的脈動風特性參數,但仍然具有一定的相關性,陣風因子隨著湍流強度的增大呈增大趨勢。4.4存在的相關性積分尺度由圖10可知,跨中實測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參數也存在一定的相關性?？缰蟹e分尺度與其10min平均風速和湍流強度間相關性如圖11所示。由圖11可知,積分尺度隨平均風速增大呈增大趨勢,相反隨湍流強度增加呈減小趨勢,相對橫向分量,縱向分量趨勢更明顯。表明風速越小,湍流強度相應越大,風場中的大漩渦被分解為一系列小渦,使得風場的脈動特性主要受小尺度漩渦影響。4.5拱頂脈動風功率譜分布功率譜運用Welch法由圖12可知,實測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)拱頂脈動風功率譜比跨中吻合更好,且跨中脈動風功率譜在低頻段普遍低于Kaimal譜。4.6點位置風速相關目前,風速空間相關性的研究通常采用Davenport式中,n為頻率;C脈動風速空間相關性著重描述不同測點位置風速的相關程度,現有橋梁設計中一般偏保守認為風荷載沿橋梁展向是完全相關的跨中與拱頂脈動風空間相關性與Davenport公式計算結果對比如圖13所示。由圖13可知,實測風速沿橋梁豎向相關系數較小,屬于弱相關。與Davenport公式計算值對比可知,實測值在高頻段大于計算值,而在低頻段,計算值小于實測值。5實測湍流特征分析針對南廣鐵路西江大橋橋位處的地形特征,展開了橋位處良態(tài)風的持續(xù)觀測,并通過對實測數據的分析,得到以下結論。(1)受地形影響,大橋橋位處日最大10min平均風速呈現非高斯分布,且湍流強度、陣風因子并不隨高度變化而減小,相反表現為拱頂脈動風特性高于跨中的特征。(2)實測湍流強度、積分尺度平均值均大于規(guī)范推薦值。而縱向脈動風功率譜在高頻段與Kaimal吻合較好,而在