论文部分内容阅读
摘 要：风洞实验、数值模拟和现场实测是目前研究山区风特性的主要方法，本文首先这几种方法进行了详细阐述；然后借用学者们的研究成果，从平均风特性和脉动风特性两种角度，分析山区风特性与平原地段的差异，结果表明：与平原地段相比，复杂地段的山区风场特性更加具有不稳定性，平均风剖面变化多端；湍流度与阵风因子明显较高；在竖向脉动风作用下，脉动风功率谱函数在低频区实测数据较经验公式计算结果低，而在高频区恰恰相反。最好，对目前的研究现状进行了总结，并提出一些针对性的建议。
关键词：山区风特性、风洞实验、数值模拟、现场实测、平均风特性、脉动风特性
1 前言
目前，随着我国经济与建筑事业的不断发展，对建筑结构的安全性和舒适性的追求也不断的提高。越来越多的跨峡谷大桥修建在西部多山脉区域，而西部地区山区风场千变万化、复杂多样，为保证大跨峡谷大桥在施工和运营过程中的安全性和舒适性，研究大跨山区结构的风荷载特性必不可少。
对于大跨桥梁而言，具有结构刚度小和自振频率低等特点，在对大跨桥梁进行结构设计过程中，风荷载往往为其控制荷载。目前，国内关于风荷载的规定仅仅适用于地势地貌较为平坦的各向同性风场条件，而对于地形地貌较为复杂的地区，风荷载则需要通过实验来确定。现阶段研究的山区风场特性主要方法有：现场实测、数值模拟、风洞实验等。而其中风洞实验和数值模拟是对结构进行模拟实验，其最终成果还是需要通过现场实测来确定，对于风荷载对结构影响的最有效的。
2大跨结构抗风研究方法
2.1风洞实验
风洞实验[1]利用运动相对性和流动相似性来研究风洞中模拟物体模型的气体流动特性，能够在相对复杂的环境下确定出空气流动的特征。在桥梁工程中，风洞实验能够直接、有效的研究大跨结构风荷载分布特性，其实验结果也得到了工程界的广泛认可。对于桥梁风洞实验而言，主要有三种方式：静力三分力实验、弹簧悬挂刚体节段模型实验、全桥气动弹性模型实验。风洞实验中的刚性测压实验最要用于测量结构上作用的风荷载，并且能够分别测量出平均风荷载与脉动风荷载；而结构边界层的动力响应是通过考虑结构和来流之间的相互耦合作用的气弹性模型实验来确定。
2.2 数值模拟
随着计算软件的不断发展，数值模拟技术在复杂山区风场特性的的研究中显得尤其的重要，与较为传统的风洞实验相比，数值模拟技术[2]的优点主要在于：1、费用较低，所花费时间短。2、可以改变不同的实验参数对不同特征下的山区地形地貌进行模拟，能够比较直观的探讨出不同参数变化对结构的整体影响；3数值模拟技术可利用可视化工具，提供风洞实验无法提供的一些绕流流场信息。但数值模拟并不能完全准确的模拟出山区大跨境桥梁风特性，其实验结果必须通过现场实测结果来检验。
2.3 现场实测
现场实测能够直接获得地区风场特性，是我国现阶段对风特性研究最有效的方法之一。现场实测[3]普遍是通过风速仪、加速度计等仪器测量结构风向、平均风速、脉动风特性等，以便对复杂山区环境下风特性的共同特征进行研究。通过现场实测，可以得到准确的、具有一定可靠度的实验数据，并将结果与风洞实验和数值模拟实验进行对比，发现出数值模拟与风洞实验的不足之处，为制定出复杂多变山区风荷载设计规范提供依据。
3 峡谷风特性统计分析
由于风在峡谷和山体地段会导致大范围的绕流、分离和再附着，使得复杂地形地貌的风场特性具有不确定性。大气层内空气流动特性对桥梁结构能够产生重大的影响，对结构物所在地的近地风特性的研究，能够最大程度减少大气层空气流动对桥梁结构产生的影响。为了便于研究近地风特性，风场特性可以划分为平均风特性和脉动风特性。
3.1平均风特性
平均风特性主要是用于反映地形地貌有关的空间分布特性，相关参数包括平均风速、平均风向、风速剖面、风攻角等。Jakson等[4]通过线性模型对平面对称平缓小山风剖面模型进行了预测，得到了山顶风速加速效应最大的结论。ROSS等利用[5]数值模拟与风洞实验研究了从一阶到二阶的闭合模型，结果表明：二阶闭合预测模型得到的结果虽然平均风速精度较高，但并不能很好的预测分离流区域的湍流特性。朱乐东等[6]对坝陵河大桥桥址处深切峡谷中风剖面中研究发现，在相对复杂的峡谷地段，平均风剖面会受到很大的影响。平均风剖面形态规则千变万化，呈现出多样性。此外风向角在低空方面受地形影响更加严重，变化幅度也较高空范围更大，而且随着高度的降低，风迎角的绝对值大小以及散布的区域呈现出逐渐增大的趋势。
3.2脉动风特性
3.2.1湍流强度和阵风因子
风的脉动强度通常使用湍流强度和阵风因子来表示。湍流强度脉动风速指在平均时距内的方根差（标准差）与水平方向上平均风速的比值。而阵风因子定义为在持续内阵风最大平均风速与平均风速的比值，用来体现一定时间内脉动风的变化规律。湍流强度与阵风因子都是体现风场的脉动强度的两个参数，但是侧重点不同，两个参数具有线性比例关系，随着湍流度的增加，阵风因子不断增加。朱乐东等[7]在对自然风紊流风特性研究中发现：湍流度在平均风速逐渐增加的情况下有减少的趋势。与平坦地段相比，湍流强度和阵风因子在复杂山区峡谷地段明显较高。周广东等[8]通过对润扬大桥健康监测系统反馈的风场数据进行研究，结果表明：大气稳定性随着平均风速的增大而变高，且被地面物体所干扰的概率就会越小，而湍流度会随着大气稳定性的变高而较低，因此，当平均风速逐渐增大时，其值会逐渐减小。
3.2.2湍流积分尺度
湍流积分尺度是用来反映在脉动风中产生的湍流旋涡平均尺寸，是决定结构受风场特性影响程度的重要物理因子。國内外相关学者研究表明湍流积分尺度与湍流度存在一定线性相关性，其值在横向和纵向都随着该方向的湍流度的增大而大幅度的下降。周广东等[8]研究发现虽然湍流积分尺度与平均风速的相关性较弱，但当平均风速减小时，积分尺度也会随之减小。风场中的脉动特性主要是源于风场大漩涡破裂而成的一系列小尺寸旋涡的影响；当这些小漩涡达到一定程度大小时，脉动风特性与平均风特性之间几乎没有多大差别。何旭辉等[9]在对桥位良态风的长期观测中发现，规范推荐值中的湍流积分尺度和湍流强度均比实测值小，且在高度增加的情况下，湍流强度和阵风因子并不会减少。地形地貌的起伏不平对脉动风特性影响十分显著，特别在复杂地段，脉动风特性变化更加无规律可言，因此，在对山区峡谷地段进行桥梁设计中，考虑复杂地形对设计风荷载的影响必不可少。 3.2.3脉动风功率谱密度函数
脉动风功率谱密度函数是用来反映湍流中不同尺寸旋涡的动能对湍流脉动总动能的影响大小。在我国现有桥梁规范中，縱向功率谱函数主要使用Kaimal谱计算；在桥梁抗风设计指南中建议在顺向风中采用Simiu谱，而竖向脉动风推荐采用Panofsky谱。但就山区风特性而言，这些风谱并不完全适用。朱乐东等[6]在坝陵河峡谷脉动风特性实测研究中发现在顺风向脉动风条件下，低频区实测拟合结果比经验公式计算结果低，而在高频区则恰恰相反；而在水平和竖向脉动风功率谱，实测拟合结果也明显高于经验公式计算结果。辛亚兵等[10]对桥梁沿桥轴向的风特性现场实测数据进行了分析，结果表明：Simiu谱经验公式在高频区计算结果与沿桥向顺风段功率谱密度基本相同；在高频段竖风向功能谱密度函数与Panofsky谱基本不吻合，而在低频段，实测值也比Panofsky谱低。
4 结语
对于山区风场特性的研究，国内外学者从不同的角度对其进行了研究，但仍然存在一些就局限性和困难，本文认为可以从以下几个方面进行深入的研究。
（1）与平原地貌相比，复杂地形地貌下的山区风场特性更加复杂，对于复杂地形的山区风荷载相关规范并没有完善。而且对于风洞实验，模型比例较小，面对地域广阔的山区地带，测试的方法和精度并不能达到设计的要求。需要采用能够模拟不同环境、精度更高的试验仪器，同时学者们也要不断投入精力和时间来改善现有研究方式，从纷繁复杂的山区风特性中提炼出与平原地貌风场特性之间的共性，以便更好的为工程实际服务。
（2）数值模拟作为当下新兴的计算机软件技术，其能够通过改变不同的参数来模拟不同类型的山区地貌环境，与风洞实验相比，能够大大的节省实验成本。但就我国现阶段而言，数值模拟技术仍处于刚刚起步阶段，对于复杂山区地貌环境的研究模型和参数设置还不够成熟，精准度达不到工程需求。因此，现阶段，研究人员需要将风洞实验和现场观测的结果与数值模拟技术不断进行对比，提高计算机软件的自我学习能力，完善其研究模型和精度。
（3）对于现场实测，尽管已经有很多专家学者投入到这方面的研究之中，但对于山区风场特性而言，需要在特殊地段建立大跨结构风场观测系统，以便获得长期的、持续的风特性参数。并将观测结果与数值模拟技术和风洞实验进行直接对比，改进计算风洞实验模型以及计算机数值模拟技术的试验参数。除此之外，还需建设山区结构风特性的实时健康监测系统，以便实时研究风场特性沿高度变化的规律，对结构的舒适程度进行合理的评定。
参考文献：
[1]徐洪涛，马存明，马顺康，张慎旭.山区桥梁桥址风环境数值风洞研究[J].世界桥梁，2011（03）：61-64.
[2]符健. 大跨度悬索桥颤振特性风洞试验研究与数值模拟[D].重庆大学，2016.
[3]马春艳. 大跨结构风场特性现场实测的研究综述[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会.钢结构工程研究（九），2012：7
[4]Jackson P S. Hunt J C R. Turbulent wind flow over a. low hill[J] Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1975. 101： 447-474.
[5]Ross A N. Arnold S.Vosper S B. A comparison of wind-tunnel experiments and numerical simulations of neutral and stratified flow over a hill[J]. Boundary-Layer Meteorology， 113（3）： 427-459.
[6]朱乐东，任鹏杰，陈伟，周成，王继全.坝陵河大桥桥位深切峡谷风剖面实测研究[J].实验流体力学，2011，25（04）：15-21.
[7]朱乐东，周成，陈伟，任鹏杰，王继全.坝陵河峡谷脉动风特性实测研究[J].山东建筑大学学报，2011，26（01）：27-34.
[8]周广东，丁幼亮，李爱群，邓扬.基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析[J].工程力学，2012，29（07）：93-101.
[9]何旭辉，史康，邹云峰，黄东梅.南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究[J].世界桥梁，2016，44（04）：44-49.
[10]辛亚兵，邵旭东，刘志文，贾亚光，丁冬.高墩多塔斜拉桥沿桥轴向风特性实测分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（11）：103-111.
关键词：山区风特性、风洞实验、数值模拟、现场实测、平均风特性、脉动风特性
1 前言
目前，随着我国经济与建筑事业的不断发展，对建筑结构的安全性和舒适性的追求也不断的提高。越来越多的跨峡谷大桥修建在西部多山脉区域，而西部地区山区风场千变万化、复杂多样，为保证大跨峡谷大桥在施工和运营过程中的安全性和舒适性，研究大跨山区结构的风荷载特性必不可少。
对于大跨桥梁而言，具有结构刚度小和自振频率低等特点，在对大跨桥梁进行结构设计过程中，风荷载往往为其控制荷载。目前，国内关于风荷载的规定仅仅适用于地势地貌较为平坦的各向同性风场条件，而对于地形地貌较为复杂的地区，风荷载则需要通过实验来确定。现阶段研究的山区风场特性主要方法有：现场实测、数值模拟、风洞实验等。而其中风洞实验和数值模拟是对结构进行模拟实验，其最终成果还是需要通过现场实测来确定，对于风荷载对结构影响的最有效的。
2大跨结构抗风研究方法
2.1风洞实验
风洞实验[1]利用运动相对性和流动相似性来研究风洞中模拟物体模型的气体流动特性，能够在相对复杂的环境下确定出空气流动的特征。在桥梁工程中，风洞实验能够直接、有效的研究大跨结构风荷载分布特性，其实验结果也得到了工程界的广泛认可。对于桥梁风洞实验而言，主要有三种方式：静力三分力实验、弹簧悬挂刚体节段模型实验、全桥气动弹性模型实验。风洞实验中的刚性测压实验最要用于测量结构上作用的风荷载，并且能够分别测量出平均风荷载与脉动风荷载；而结构边界层的动力响应是通过考虑结构和来流之间的相互耦合作用的气弹性模型实验来确定。
2.2 数值模拟
随着计算软件的不断发展，数值模拟技术在复杂山区风场特性的的研究中显得尤其的重要，与较为传统的风洞实验相比，数值模拟技术[2]的优点主要在于：1、费用较低，所花费时间短。2、可以改变不同的实验参数对不同特征下的山区地形地貌进行模拟，能够比较直观的探讨出不同参数变化对结构的整体影响；3数值模拟技术可利用可视化工具，提供风洞实验无法提供的一些绕流流场信息。但数值模拟并不能完全准确的模拟出山区大跨境桥梁风特性，其实验结果必须通过现场实测结果来检验。
2.3 现场实测
现场实测能够直接获得地区风场特性，是我国现阶段对风特性研究最有效的方法之一。现场实测[3]普遍是通过风速仪、加速度计等仪器测量结构风向、平均风速、脉动风特性等，以便对复杂山区环境下风特性的共同特征进行研究。通过现场实测，可以得到准确的、具有一定可靠度的实验数据，并将结果与风洞实验和数值模拟实验进行对比，发现出数值模拟与风洞实验的不足之处，为制定出复杂多变山区风荷载设计规范提供依据。
3 峡谷风特性统计分析
由于风在峡谷和山体地段会导致大范围的绕流、分离和再附着，使得复杂地形地貌的风场特性具有不确定性。大气层内空气流动特性对桥梁结构能够产生重大的影响，对结构物所在地的近地风特性的研究，能够最大程度减少大气层空气流动对桥梁结构产生的影响。为了便于研究近地风特性，风场特性可以划分为平均风特性和脉动风特性。
3.1平均风特性
平均风特性主要是用于反映地形地貌有关的空间分布特性，相关参数包括平均风速、平均风向、风速剖面、风攻角等。Jakson等[4]通过线性模型对平面对称平缓小山风剖面模型进行了预测，得到了山顶风速加速效应最大的结论。ROSS等利用[5]数值模拟与风洞实验研究了从一阶到二阶的闭合模型，结果表明：二阶闭合预测模型得到的结果虽然平均风速精度较高，但并不能很好的预测分离流区域的湍流特性。朱乐东等[6]对坝陵河大桥桥址处深切峡谷中风剖面中研究发现，在相对复杂的峡谷地段，平均风剖面会受到很大的影响。平均风剖面形态规则千变万化，呈现出多样性。此外风向角在低空方面受地形影响更加严重，变化幅度也较高空范围更大，而且随着高度的降低，风迎角的绝对值大小以及散布的区域呈现出逐渐增大的趋势。
3.2脉动风特性
3.2.1湍流强度和阵风因子
风的脉动强度通常使用湍流强度和阵风因子来表示。湍流强度脉动风速指在平均时距内的方根差（标准差）与水平方向上平均风速的比值。而阵风因子定义为在持续内阵风最大平均风速与平均风速的比值，用来体现一定时间内脉动风的变化规律。湍流强度与阵风因子都是体现风场的脉动强度的两个参数，但是侧重点不同，两个参数具有线性比例关系，随着湍流度的增加，阵风因子不断增加。朱乐东等[7]在对自然风紊流风特性研究中发现：湍流度在平均风速逐渐增加的情况下有减少的趋势。与平坦地段相比，湍流强度和阵风因子在复杂山区峡谷地段明显较高。周广东等[8]通过对润扬大桥健康监测系统反馈的风场数据进行研究，结果表明：大气稳定性随着平均风速的增大而变高，且被地面物体所干扰的概率就会越小，而湍流度会随着大气稳定性的变高而较低，因此，当平均风速逐渐增大时，其值会逐渐减小。
3.2.2湍流积分尺度
湍流积分尺度是用来反映在脉动风中产生的湍流旋涡平均尺寸，是决定结构受风场特性影响程度的重要物理因子。國内外相关学者研究表明湍流积分尺度与湍流度存在一定线性相关性，其值在横向和纵向都随着该方向的湍流度的增大而大幅度的下降。周广东等[8]研究发现虽然湍流积分尺度与平均风速的相关性较弱，但当平均风速减小时，积分尺度也会随之减小。风场中的脉动特性主要是源于风场大漩涡破裂而成的一系列小尺寸旋涡的影响；当这些小漩涡达到一定程度大小时，脉动风特性与平均风特性之间几乎没有多大差别。何旭辉等[9]在对桥位良态风的长期观测中发现，规范推荐值中的湍流积分尺度和湍流强度均比实测值小，且在高度增加的情况下，湍流强度和阵风因子并不会减少。地形地貌的起伏不平对脉动风特性影响十分显著，特别在复杂地段，脉动风特性变化更加无规律可言，因此，在对山区峡谷地段进行桥梁设计中，考虑复杂地形对设计风荷载的影响必不可少。 3.2.3脉动风功率谱密度函数
脉动风功率谱密度函数是用来反映湍流中不同尺寸旋涡的动能对湍流脉动总动能的影响大小。在我国现有桥梁规范中，縱向功率谱函数主要使用Kaimal谱计算；在桥梁抗风设计指南中建议在顺向风中采用Simiu谱，而竖向脉动风推荐采用Panofsky谱。但就山区风特性而言，这些风谱并不完全适用。朱乐东等[6]在坝陵河峡谷脉动风特性实测研究中发现在顺风向脉动风条件下，低频区实测拟合结果比经验公式计算结果低，而在高频区则恰恰相反；而在水平和竖向脉动风功率谱，实测拟合结果也明显高于经验公式计算结果。辛亚兵等[10]对桥梁沿桥轴向的风特性现场实测数据进行了分析，结果表明：Simiu谱经验公式在高频区计算结果与沿桥向顺风段功率谱密度基本相同；在高频段竖风向功能谱密度函数与Panofsky谱基本不吻合，而在低频段，实测值也比Panofsky谱低。
4 结语
对于山区风场特性的研究，国内外学者从不同的角度对其进行了研究，但仍然存在一些就局限性和困难，本文认为可以从以下几个方面进行深入的研究。
（1）与平原地貌相比，复杂地形地貌下的山区风场特性更加复杂，对于复杂地形的山区风荷载相关规范并没有完善。而且对于风洞实验，模型比例较小，面对地域广阔的山区地带，测试的方法和精度并不能达到设计的要求。需要采用能够模拟不同环境、精度更高的试验仪器，同时学者们也要不断投入精力和时间来改善现有研究方式，从纷繁复杂的山区风特性中提炼出与平原地貌风场特性之间的共性，以便更好的为工程实际服务。
（2）数值模拟作为当下新兴的计算机软件技术，其能够通过改变不同的参数来模拟不同类型的山区地貌环境，与风洞实验相比，能够大大的节省实验成本。但就我国现阶段而言，数值模拟技术仍处于刚刚起步阶段，对于复杂山区地貌环境的研究模型和参数设置还不够成熟，精准度达不到工程需求。因此，现阶段，研究人员需要将风洞实验和现场观测的结果与数值模拟技术不断进行对比，提高计算机软件的自我学习能力，完善其研究模型和精度。
（3）对于现场实测，尽管已经有很多专家学者投入到这方面的研究之中，但对于山区风场特性而言，需要在特殊地段建立大跨结构风场观测系统，以便获得长期的、持续的风特性参数。并将观测结果与数值模拟技术和风洞实验进行直接对比，改进计算风洞实验模型以及计算机数值模拟技术的试验参数。除此之外，还需建设山区结构风特性的实时健康监测系统，以便实时研究风场特性沿高度变化的规律，对结构的舒适程度进行合理的评定。
参考文献：
[1]徐洪涛，马存明，马顺康，张慎旭.山区桥梁桥址风环境数值风洞研究[J].世界桥梁，2011（03）：61-64.
[2]符健. 大跨度悬索桥颤振特性风洞试验研究与数值模拟[D].重庆大学，2016.
[3]马春艳. 大跨结构风场特性现场实测的研究综述[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会.钢结构工程研究（九），2012：7
[4]Jackson P S. Hunt J C R. Turbulent wind flow over a. low hill[J] Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1975. 101： 447-474.
[5]Ross A N. Arnold S.Vosper S B. A comparison of wind-tunnel experiments and numerical simulations of neutral and stratified flow over a hill[J]. Boundary-Layer Meteorology， 113（3）： 427-459.
[6]朱乐东，任鹏杰，陈伟，周成，王继全.坝陵河大桥桥位深切峡谷风剖面实测研究[J].实验流体力学，2011，25（04）：15-21.
[7]朱乐东，周成，陈伟，任鹏杰，王继全.坝陵河峡谷脉动风特性实测研究[J].山东建筑大学学报，2011，26（01）：27-34.
[8]周广东，丁幼亮，李爱群，邓扬.基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析[J].工程力学，2012，29（07）：93-101.
[9]何旭辉，史康，邹云峰，黄东梅.南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究[J].世界桥梁，2016，44（04）：44-49.
[10]辛亚兵，邵旭东，刘志文，贾亚光，丁冬.高墩多塔斜拉桥沿桥轴向风特性实测分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（11）：103-111.