沿海大跨径桥址处台风“山竹”风特性实测研究

为给沿海地区桥梁设计及后期维护提供依据,对沿海地区强风特性进行研究。以广东省某大跨径桥梁结构为背景,基于其风环境监测系统实时采集的台风"山竹"登陆过程中32h风速时程数据,对台风的平均风速、风向角、湍流强度、阵风因子以及峰值因子等风特性参数进行了分析。结果表明:台风风速具有显著的非平稳特性;与规范推荐值相比,风场横向与纵向湍流强度比值偏小,竖向与纵向湍流强度比值偏大;湍流强度、阵风因子和峰值因子随平均风速的变化趋势相近,在风速较小区域呈下降趋势,在风速较大区域相对平稳;纵向湍流强度和纵、横及竖向阵风因子随时距的增大而减小;峰值因子的概率密度分布曲线与高斯分布曲线较为吻合;阵风因子与湍流强度呈现较强的正相关性。     

四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析

结合位于鄂西山区的四渡河峡谷大桥的抗风设计研究,在桥位现场用超声风速仪实测脉动风速时程数据,分析山区深切峡谷风的湍流特性。基于10 min平均时距划分子样本,统计分析峡谷桥位的风速、风向、阵风因子、湍流度、积分尺度和功率谱密度函数。结果表明:该桥所在的山区深切峡谷地形导致风的湍流脉动强度明显增大,表征涡旋大小的湍流积分尺度减小;湍流度随平均风速的增大而减小,积分尺度随平均风速的增大而增大;由实测数据拟合的山区峡谷功率谱密度函数模型存在低频迟滞区,山区峡谷风的湍流特性与规范推荐模型有较大差别。     

九堡大桥桥址台风“海葵”近地风特性实测研究

为给东南沿海地区桥梁结构抗台风设计提供依据,基于九堡大桥(钱江八桥)上安装的桥梁健康监测系统的风速风向监测子系统,对2012年台风"海葵"气候条件下风速风向数据进行了全程采集,根据实测数据对台风过程中的脉动参数(平均风速与风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱)进行统计分析。分析结果表明:基本时距为10min时,纵向及横向脉动风速湍流度随时间的变化趋势基本一致,随平均风速的增大而减小;各向阵风因子随平均风速的增大而减小,横向与纵向阵风因子均值的比值为0.30,风速较小时,阵风因子减小速率较快,而风速较大时,减小趋势不明显;各向的湍流积分尺度均随平均风速的增大而增大;实测脉动风速谱与Von Karman谱基本符合。     

南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究

为给复杂地形下的桥梁抗风设计提供指导,以肇庆南广铁路西江大桥为工程背景,依托大桥风环境监测子系统,对桥位处风场进行了现场实测,并以该实测数据为分析样本,从平均风与脉动风两方面研究了其风场特性,同时针对大桥不同测点风速展开了空间相关性分析。实测结果表明:受地形影响,桥位处10min平均风速呈非高斯分布,湍流强度、阵风因子随高度增加呈增大趋势;湍流强度、积分尺度均大于规范推荐值,纵向脉动风功率谱在高频段与Kaimal谱吻合较好,而在低频段相差较大,跨中与拱顶实测相关系数与Davenport公式计算值均存在一定偏差;基于此类地形下的桥梁设计需考虑地形的影响。     

西堠门大桥强风特性、位移和桥面压力实测研究

利用现场实测方法对西堠门大桥桥址区脉动风场特性、主梁位移以及主梁断面压力等进行研究,经对实测数据的统计分析,得到平均风速、平均攻角、紊流强度、阵风因子、紊流功率谱密度等强风特性,得到了主梁实时位移和桥梁的动力特性,并通过测压方法得到主梁断面的脉动压力值及压力谱值等.     

U形峡谷桥址区风特性实测研究

山区桥梁桥址区风场特性相比平原地区更加复杂,具有强烈的地形效应。针对某U形峡谷中三塔斜拉桥的中塔建立了高度方向的多个测点,测得了不同高度处的风速时程,通过统计分析得到桥位的平均风参数和脉动风参数及其统计规律。分析结果表明,该峡谷桥址区的平均风速剖面受地形影响大而且形式复杂,风攻角比规范推荐值大,顺、横、竖风向的湍流度比值与规范值的差异明显,湍流积分尺度、脉动风功率谱与规范相比也有所区别。     

台风“山竹”作用下某跨海大桥桥址处强风特性的研究

桥梁跨径的增大会增大桥梁的柔度和风敏感性，从而加大强风作用导致桥梁结构发生振动破坏的风险。为了研究强风对大跨径桥梁的影响，使用安装在国内某跨海大桥上的三向超声风速仪，对台风“山竹”的风特性进行分析，得到了平均风、湍流强度、阵风因子和峰值因子随时距的变化趋势，最后将部分结果进行拟合，并与经验公式进行了对比。研究得出以下结论：(1)随平均风速的增大，湍流强度、阵风因子及纵向峰值因子均呈下降趋势；(2)随时距的增大，纵向湍流强度、纵向和横向阵风因子逐渐降低；(3)湍流强度增大的同时，阵风因子呈上升趋势；(4)纵向阵风因子与纵向湍流强度的总体变化趋势与Cao经验曲线吻合度较高；(5)随平均风速的增大，峰值因子逐渐降低，并与阵风因子呈正相关性；(6)纵向峰值因子与时距的变化与Durst经验曲线吻合较高。     

山西禹门口黄河大桥实测风特性分析

自然风特性研究是桥梁抗风设计的基础,但是目前国内对大气湍流特性的现场观测研究工作开展得还极少,针对这一情况,结合山西省禹门口黄河公路大桥,在桥址处建立了一座60 m和两座30 m的风观测站.利用自行编制的程序对实测风速数据进行了分析,得到了平均风速和风向、风剖面、湍流强度和阵风因子等强风特性.分析结果表明:桥位处的风场比较复杂,风剖面属于山区风速剖面,不完全遵守幂指数分布;桥位处出现28.3 m/s大风机率很大,应进行主桥最大双悬臂状态抗风安全性能的风洞试验,以确保主桥悬臂施工期间的安全;还应进行长期观测,得到更多详实资料,为掌握同类地形处的风场特性提供资料.     

高精度入口边界的峡谷桥址风场数值模拟

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂，这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题，而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性，基于WRF与CFD耦合模式对峡谷桥址风场进行精细化分析，在中尺度气象模式基础上结合多项式插值方法获取入口边界的平均风速，同时对峡谷桥址上游风速进行实时监测，利用实测站脉动特性互等的原则获取数值模拟入口位置的脉动特性。将平均风速和脉动风速综合考虑后利用UDF程序赋给大涡模拟的入口边界并对峡谷桥址位置风场进行详细分析，最后将模拟结果与实测结果的湍流特性进行对比。研究结果表明：考虑脉动风速后的入口边界条件相比于无脉动入口风速其湍流特性与实测值吻合更好；中国现有规范中的标准谱不适用于复杂峡谷桥址地区，如用现有规范设计山区峡谷桥梁，其结果偏不安全；来流风向与峡谷走向是引起加速效应的主要原因，峡谷上游的复杂局部地形是引起峡谷桥址风场多样性的根本原因。研究成果可供山区峡谷大跨度桥梁抗风设计提供参考。     

山区桥梁风场特性分析系统的开发及应用

山区桥梁建设日益增多,而现有的抗风规范对受地形等复杂因素影响的山区风特性并未给出具体的参数取值.该文结合山西省禹门口黄河斜拉桥这一实际工程,编制了基于C++Builder平台的桥梁风场特性分析系统,对桥址处实测风速数据进行了分析计算,得到了桥址处平均风速和风向、风剖面指数、湍流度等风场特性.     

深切峡谷地貌桥面行车高度风环境现场实测研究

为研究深切峡谷地形条件下的桥面局部风场,对桥梁跨中和过桥塔区局部区域风环境开展了现场实测。对局部风场特征进行了讨论分析,其中包括平均风速特征、紊流度、脉动风速功率谱和极值风速分布等。探讨了跨中和桥塔区位置风剖面分布,同时给出了跨中和桥塔区的平均风速拟合关系,量化了过桥塔区顺桥向风速分布的桥塔遮挡效应和地形加速效应,总结提出了一种典型的过桥塔区顺桥向风速曲线模型。此外,桥塔区域风速紊流度显著大于跨中位置,表明桥塔和特殊地形对局部风场存在较大影响。桥塔区脉动风速实测谱高频段能量明显上升,与惯性子区谱-5/3斜率衰减效应变化特征不符。相较于规范风谱,推荐了3阶双对数多项式,可更加准确地表征脉动风湍流能量在频域上的分布特征。对瞬态阵风极值风速的分析结果表明,相较于平均风速,极值风速用于评估行车安全更为合理。     

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风分量近似符合正态分布;PRFG³方法产生的入口湍流在LES计算域内能正确传输,模拟的3类风场均有较好的均匀性,脉动风分量在各方向上的功率谱、湍流度和所有的9个湍流积分尺度均与相应的实测值吻合较好。相关湍流合成方法及LES设置可为大跨桥梁在实测强风湍流下的数值模拟研究提供参考。     

深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析

2007年两次台风经过深圳湾跨海大桥,对桥址处的风场参数与拉索振动测试数据进行了分析,实测结果表明:桥址处纵向脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky谱基本吻合;台风期间边跨短索发生了较明显的风雨振动,而主跨长索由于安装了阻尼器,振动幅值得到有效控制,因此与本桥类似的独塔斜拉桥短索区也应考虑采取增设阻尼装置或辅助索等减振措施.     

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场，以丹麦大带桥桥址风特性为例，采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流；讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值；基于Fluent平台，通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界，基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值，入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场，产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好；入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持，脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好，高频段出现一定衰减，而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线，建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小，相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

山区大跨径悬索桥风场特性CFD数值模拟研究

为研究山区大跨径钢桁梁悬索桥的桥位地形风场特性,确定基准风速,以开州湖特大桥为依托,采用CFD数值模拟,通过8种工况的计算分析,研究大桥桥址区的风参数,得出桥址区的风场特性分布。结果表明,不同工况下,主梁高度处的各向风速及风攻角有较大差异;CFD数值模拟得到的主梁基准风速较依据规范确定的基准风速小;综合考虑桥址区的风场特性,本桥桥面处的基准风速为38.5 m/s。     

基于EMD和小波分析的实测强风非平稳特性研究

基于某公路大跨度三塔斜拉桥风环境监测系统,运用经验模态分解(EMD)与小波分析(WT)对实测强风数据样本进行了非平稳分析,分别建立了基于EMD分解和db10小波的非平稳风速模型,并与传统平稳风速模型的计算结果进行比对。研究表明,统计时段内实测强风样本的顺、横风向风速均表现出较强的非平稳特征,且基于EMD及WT的非平稳模型的时变趋势项走势基本一致;采用平稳风模型计算的紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度值整体上均大于相应的非平稳风模型;实测紊流强度离散性较低,I_u∶I_v值均小于但接近于规范所规定的推荐值1∶0.88;Kaimal谱在中频段与不同风速模型的功率谱均吻合良好,但在低频段和高频段存在较大差异,且就低频段的顺风向风谱而言,平稳模型更接近于Kaimal谱,而横向风谱计算中,非平稳模型更接近于Kaimal谱。     

横风作用下移动车辆脉动风速谱

为研究横风作用下移动车辆的脉动风速谱形式,不依赖于传统的Taylor"冻结"假设和各向同性湍流假设,围绕移动车辆的脉动风速时程生成方法,在传统的谐波合成法基础上提出了一种高效的"直接生成法"。并在此基础上,综合考察了不同离地高度、不同平均风速、不同车辆移动速度等因素对移动点(或移动车辆)脉动风速自相关系数函数的影响。通过参数敏感性分析,建立移动点与固定点自相关系数函数的关系式,并最终推导出移动点的纵向脉动风速谱模型。研究结果表明:所提出的移动点(或移动车辆)脉动风速的"直接生成法"相比传统的"逐步提取生成法"具有更高的计算效率;进一步的,提出的移动点纵向脉动风速谱模型由于不依赖于Taylor"冻结"假设或各向同性湍流假设,也未额外地引入横向脉动风速谱,而仅依靠移动点的纵向脉动风速时程而逐步分析推导而出,这与数值解所采用的条件一致,因而使其计算值与相应的数值解吻合较好,表明提出的移动点纵向脉动风速谱模型具有较高的计算精度。研究结论可为移动车辆脉动风速谱的相关研究提供新的思路。     

脉动风的数值模拟

工程中为方便研究风对工程结构的作用,通常将其处理成2部分,即一定时间内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风。文中主要研究其脉动风部分,介绍了风的一些基本特征,以及脉动风国内外几种常用的模拟方法,阐述其数值模拟理论,根据所选用的线性滤波法,结合京包铁路分离式立交桥桥址处气象资料,用MATLAB软件编程模拟脉动风,并得到风速时程曲线,将模拟出的功率谱与目标谱对比其拟合度,结果表明,模拟谱与目标谱吻合度较高,模拟的结果较为可靠。     

横风作用下移动车辆脉动风速谱（双语出版）

为研究横风作用下移动车辆的脉动风速谱形式,不依赖于传统的Taylor“冻结”假设和各向同性湍流假设,围绕移动车辆的脉动风速时程生成方法,在传统的谐波合成法基础上提出了一种高效的“直接生成法”。并在此基础上,综合考察了不同离地高度、不同平均风速、不同车辆移动速度等因素对移动点（或移动车辆）脉动风速自相关系数函数的影响。通过参数敏感性分析,建立移动点与固定点自相关系数函数的关系式,并最终推导出移动点的纵向脉动风速谱模型。研究结果表明：所提出的移动点（或移动车辆）脉动风速的“直接生成法”相比传统的“逐步提取生成法”具有更高的计算效率;进一步的,提出的移动点纵向脉动风速谱模型由于不依赖于Taylor“冻结”假设或各向同性湍流假设,也未额外地引入横向脉动风速谱,而仅依靠移动点的纵向脉动风速时程而逐步分析推导而出,这与数值解所采用的条件一致,因而使其计算值与相应的数值解吻合较好,表明提出的移动点纵向脉动风速谱模型具有较高的计算精度。研究结论可为移动车辆脉动风速谱的相关研究提供新的思路。     

成贵铁路贵州鸭池河特大桥设计风速及其特性研究

成贵铁路贵州鸭池河特大桥主桥为主跨436 m的中承式钢桁-混凝土结合拱桥,桥址区山高谷深,气象条件复杂。为确定该桥的设计风速及其相关特性,采用计算流体动力学方法,建立桥址区地形风场计算模型,计算桥址区的风剖面特性、跨向分布特性和风攻角特性等,并根据风速相关性分析推算其设计风速。结果表明:受峡谷效应的影响,横桥向来风时风速放大因子最大,其为抗风设计的主要风向;在桥梁建筑高度范围内,桥址区风速沿横桥向风速剖面具有较好的指数规律,风剖面指数为0.15,与相关规范中山区C类地表的指数有明显的差别;桥面高度处地势平坦,可不考虑峡谷效应;确定该桥设计基准风速为25.3m/s。