大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；中央高校基本科研业务费（）大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究房忱，胡锐，（西南交通大学复杂艰险山区铁路防灾减灾铁路行业重点实验室，四川成都；西南交通大学土木工程学院，四川成都）作者简介：房忱，年月生，副研究员，博士，电子邮箱：。主要从事研究方向：主要从事于桥梁风工程、桥梁水动力学、深度学习等领域的研究工作，获评拔尖创新培育对象，优秀博士学位论文。主持国家自然科学基金青年基金一项，中央高校基本科研业务费专项资金资助一项，参与多项国家级项目。在国内外重要学术期刊发表 论文余篇，授权国家发明专利项，担任多本国际期刊审稿人。摘要：为研究桥址区海、陆风场的差异及其对铁路桥梁的影响，开展桥址区海、陆风场数值模拟和桥梁风荷载数值计算研究。考虑海面粗糙度、海气交换等因素影响，从风剖面、风谱、相干函数个角度进行海洋风场与陆地风场的对比，进而实现海、陆风场的数值模拟和风荷载计算。结果表明：海、陆风场紊流特性和空间相干性差异显著，内陆铁路桥梁较海洋铁路桥梁风荷载的阻力、升力和力矩分别增加、和，但由于海洋风谱的能量高于陆地风谱，海洋铁路桥梁所受的抖振力高于内陆铁路桥梁。关键词：海陆风场；风谱；风剖面；铁路桥梁；风荷载文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，；，）铁道技术标准 ：，：，：，：；：（）：引言在大跨度海洋桥梁的建设中，巨大的风浪会对桥梁结构产生较大环境荷载，引起桥梁结构局部破坏或变形，现存已知 公路桥梁抗风设计规范（）大多针对陆地桥梁与近海桥梁的风场进行研究，有关海洋风场的研究还较缺乏。研究表明，在许多实测海洋桥址区风荷载统计中，实际风荷载通常远高于规范限值，对桥梁结构的施工和正常使用造成了安全隐患。且受海面粗糙度、海气交换等因素的影响，海洋风场紊流特性和空间相干性与陆地风场也存在着较大差异，因此需要对海洋风场进行针对性研究。实际风场一般由平均风和脉动风叠加组成，平均风的垂直分布特性通常用风剖面来表示，风剖面一般采用指数律或对数律的形式，但对于脉动风，根据实测风速推导了许多风速谱。目前我国常用陆地风谱为、谱。国际上如欧美规范采用陆地风谱风速谱，澳大利亚采用风速谱。后来提出一种海洋纵向风速波动谱的描述方法命名为风速谱后被日本纳入规范。比较了多位学者提出的脉动风速谱，提出了适用于海洋结构的风速谱。通过对风速谱进行谱解分析方法，计算出基于模拟脉动随机风速，由风荷载的计算方法推算出脉动风荷载大小，进而可求出脉动风荷载动力响应，并可与解析解进行比较，从而反应风速谱的拟合效果。近年来，等推导得到了 海洋风速谱以及海面三维相干函数 空间相干函数。到目前普遍认为海、陆风场的差异性主要体现在风剖面、脉动风谱和相干函数个方面，但相关海、陆风场具体差异性的研究还相对较少，有关海、陆风场对桥梁结构具体部位、建造流程中造成的风荷载影响还有待研究。本文首先基于风剖面、风谱和相干函数个方面进行海、陆风场各自分析，验证海、陆风场之间存在差异性。然后介绍桥梁风荷载如静风力、抖振力、自激力的计算表达式，进而基于海、陆风场不同脉动风谱和不同风剖面条件，利用谱解法推算脉房忱等：大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究动随机风速以及利用风剖面推算平均风速，从而计算海、陆风场下桥梁静风力、桥梁抖振力，以及由静风力和抖振力组成的实际桥梁风荷载，对计算结果进行相应分析并得出结论。海洋、陆地风场差异性研究海洋与陆地风场的主要差别体现在风剖面、风谱和相干函数，依次就这方面进行对比研究。平均风剖面差异对于一般陆地风场，各国多采用指数率形式进行风场描述，并以地面粗糙系数对地表类型进行区分。对于陆地桥梁，其竖向风剖面多表示为()（）式中：为桥梁或构件高度为处的设计风速，；为桥址区地面以上 高度处的风速，；为地面粗糙度系数，文献 规定水面取为。由于海气动量交换的存在，在海洋桥梁中，平均风剖面处于波浪对海洋平面以上 倍有效波高范围内部分会受到较大影响。由于波浪的存在，在近海面范围内会扰动空气流场导致海面以上的风速变化，且引起近海面的风向发生变化。本研究主要关注风速的变化影响，暂不考虑风向的变化，采用了研究者多使用的对数率对海洋平均风剖面进行描述。()()（）式中：为海面粗糙程度，通常取 。认为波长较短的表面波引起的气动粗糙长度和光滑波面引起的物理粗糙长度是海面粗糙长度的两个主要影响因素，即 （）（）（）（）（）式中：为系数，取；为摩擦风速，；为风应力，；为空气密度，取 ；为重力加速度，取 ；为空气的动态粘度，取 。由式（）式（）可知，海面粗糙程度主要取决于摩擦风速，又由 槡（）式中：为海面拖曳系数。与的关系为 （）（）可以得出海面粗糙程度与平均风速的关系。为了直观展现海陆平均风剖面，将分别取为、，得出海陆风剖面对比图见图。由图可知，在一定时，相同高度下，陆地风剖面风速大于海洋风剖面风速。当高度小于 时，二者基本一致。随着高度的增加二者之间的风速差异越来越明显。例如，在高度为 处，当 ，海陆平均风速分别为 和 ，差异达；时，海陆平均风速分别为 和 ，差异达。在实际桥梁结构中，如桥塔结构较高时，在高空位置海陆风场将存在较大的差异，会对塔顶响应带来显著变化，实际工程中需留意这个问题。图海陆风剖面对比图 脉动风场差异常用陆地风谱有，谱、谱、谱和谱等，海洋风谱常用谱、谱等，各种风谱表达式如下。谱为（）（）（）（）铁道技术标准式中：为距地表 高度处的平均风速，；为脉动风频率，；为地面粗糙度系数，系数越大表示地面越粗糙，文献 根据地表状况的差异共分为、类地表，分别取、。谱为（）（）（）谱为（，）（）（）谱为（）（）（）谱为（）（）（）谱为（，）（）（）（）对于式（）式（），其中 （）（）（）式中：为高度处的平均风速，；为冯卡曼常数。根据陆地风谱式（）式（）和海洋风谱式（）式（），得出陆地与海洋的脉动风速谱示意图见图。其中、谱常用于模拟桥梁陆地横向风场，常用于模拟桥梁陆地竖向风场。由图可知谱的能量最低，说明桥梁风场横向紊流度较竖向相对偏高。对于其他个风谱，易得出在低频率（频率低于 ），海洋风谱较陆地风谱能量高，在频率处于 时，种风谱能量相当，在频率高于 时，谱的功率谱下降显著。根据以上结论，在实际海洋桥梁中，当结构自振频率较低时，若采用陆地风谱则会弱化桥梁风致响应，从而为结构带来危害。如何正确评估风致响应带来的影响成为十分重要的问题，因而要根据实际合理选择风谱。图海陆风速谱对比图 相干函数差异陆地风场相干函数比较常见，大多采用相干函数，表达式为（）（）（）（）（()）（）式中：、分别为同一高度处的两点的平面坐标；、分别为指数衰减系数，通常取为、。海洋风场采用空间相干函数，对于任意两点（，）、（，），、分别为两点之间顺风向、水平和垂向之间的距离，相干函数为（）（）()（）()（）（），（）式中：、分别为第个方向的系数，取值见表。房忱等：大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究表 空间相干函数的系数方向 分别取两个点（，）、（，），取 ，做出陆地与海洋相干函数的分布规律见图。由图可知，海洋风场的相干函数远高于陆地相干函数，说明海洋风场的相干性与陆地风场大不相同。在实际的海洋桥梁设计与受力过程中，要考虑海洋风场的低空相干性对风致响应的影响。图海陆相干函数对比图桥梁风荷载通常情况下海洋桥梁的跨度比较大，主梁长度较长，桥塔高度比较高，单点风速模拟不能准确反映桥梁风速分布状况，故采用经典谱解法模拟桥梁多点脉动风场，以考虑风速点之间相干性的影响。在明确截面形式后，桥梁所受风荷载主要由风速决定。作用于桥梁上的风荷载通常分为由平均风引起的静风力、由脉动风引起的抖振力，由结构与流体相互作用引起的自激力部分。每一部分又分为阻力、升力和力矩。桥梁风荷载见图。图中：为总阻力，；为总升力，；为总力矩，；、分别为桥塔断面横向、纵向宽度，。静风力作用在主梁单位长度上的静风力为图桥梁风荷载（）（）（）（）（）（）式中：、分别为静风阻力、升力，；为静风力矩，；为空气密度，；为来流平均风速，；（）、（）、（）为攻角时的阻力、升力和力矩系数；、分别为主梁断面的高度和宽度，。抖振力作用在主梁单位展长上的抖振力为（，）（）（，）（）（）（，）（）（，）（）（）（）（，）（）（）（，）（）（，）（）（）（，）（）（）铁道技术标准式中：、分别为抖振阻力、升力，；为抖振力矩，；为梁高，；，分别为升力系数和力矩系数的斜率；（，）、（，）分别为主梁在处横桥向及竖向的脉动风速，；（）（）为时域气动导纳函数，分析中偏安全的取为。自激力作用在主梁单位展长上的自激力表示为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：、分别为自激阻力、升力，；为自激力矩，；（）、（）、（）分别为桥梁的横向、竖向和扭转响应；（，；，）是脉动函数，可以通过有理数逼近法求解。桥塔结构细长且气动外形钝化，可不用考虑风与结构之间的自激力。桥塔的静风力和抖振力可参照主梁风荷载式（）式（）求解。主梁及桥塔风荷载对比研究通过对比不同风剖面以及不同脉动风谱下海、陆风场引起风荷载的影响，来研究海、陆风场的不同对大跨度铁路桥梁造成的风荷载差异。在本次研究设计过程中，重点在研究海洋与陆地风场的风剖面、风谱的差异性造成的桥梁结构所受荷载的区别，将海洋、陆地风场的相干函数均取为相干函数，有关海陆风场相干函数的差异对桥梁结构受力的影响未进行定量分析。以某一（）全长 的双塔斜拉桥为例，海洋桥梁总平面图见图。主梁为混凝土箱梁，宽，高，跨中断面见图（），通过数值模拟可得，攻角时气动三分力系数、。桥塔为高 的门式结构，塔顶断面见图（），迎风侧气动三分力系数为、，背风侧气动三分力系数为、。图海洋桥梁总平面图（单位：）本次设计中，重点研究在相同风速的作用条件下，海洋、陆地风场的差异性对桥梁结构所受荷载的影响，设计采用科学研究中常用大小 的风速，即平均风速 ，来流风向为横桥向，主梁距离水面高度。首先分析了不同风谱和风剖面情况下的主梁跨中断面和桥塔塔顶断面的静风力，计算工况见表。其次分析了主梁跨中断面和桥塔塔顶断面在海、陆风场情况下的抖振力。最后分析了由静风力和抖振力组成的桥梁实际风荷载在主梁跨中断面和桥塔塔顶断面处的统计值。表计算工况编号（）风剖面 主梁风谱桥塔风谱海洋海洋陆地陆地 本次设计中，主梁与桥塔风场采用谱解法进行模拟，以谱为例展示了目标谱和模拟谱对比见图，其中风速模拟步长为，模拟总时长为。由图可知，目标谱与模拟谱的拟合情况较好，证明谱解法的精度较高。图目标谱和模拟谱对比房忱等：大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究不同风谱、风剖面下主梁和桥塔静风力研究通过计算分析，得出主梁跨中单位长度内静风力在种工况下的均方根值和最大值见表。由表可知，不同脉动风谱和风剖面情况下，主梁静风力统计值差异较大。通过对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力和力矩分别与工况相同。对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力和力矩分别与工况相同。对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力及力矩分别比工况增加了、以及。由此可见主梁所受的静风力大小仅与主梁所在桥址区的风剖面类型有关。不同的风剖面影响着主梁静力风荷载，且陆地风剖面求出的风荷载比海洋风剖面求出的风荷载更大。由上述分析可知，风剖面的差异会影响主梁静风力，而风谱的差异性与主梁所受静风力无关。表主梁跨中单位长度静风力统计值工况统计值阻力 升力 力矩 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 对于桥塔风荷载，由于其阻力远大于升力和力矩，所以仅对比桥塔塔顶单位长度内静风阻力荷载的统计值，见表。由于桥塔风速谱均采用谱，所以工况和，工况和的计算结果统计值是一致的。对比工况和的均方根值，工况较工况减小了，由此可见，风剖面对于塔顶风荷载也有影响，且陆地风剖面产生的风荷载较高。表塔顶单位长度静风阻力统计值工况统计值阻力 工况均方根值 最大值 续表工况统计值阻力 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 不同风谱、风剖面下主梁和桥塔抖振力研究在 中已经分析了不同风剖面和风谱情况下海陆风场对桥梁静风力的影响，由于海洋风谱的能量高于陆地风谱，因此海洋铁路桥梁所受的抖振力应该会高于陆地铁路桥梁。本节分析在 中所示种工况下，海洋与陆地风场风剖面、风谱的差异性对桥梁结构所受抖振力的影响。主梁跨中单位长度抖振力统计值见表。从数据可知，对比工况和工况，工况的阻力、升力、力矩分别比工况增加了、。对比工况和工况，工况的阻力、升力、力矩分别比工况增加了、。由此可见在相同的风剖面情况下，对于海洋或者陆地铁路桥梁，当桥梁采用海洋风谱时桥梁所受的抖振力大于桥梁采用陆地风谱时所受的抖振力。因此对于海洋铁路桥梁和陆地铁路桥梁，由于海洋风谱的能量更高，所以前者所受的抖振力大于后者。因此在实际工程问题中，要重视海洋风谱对海洋桥梁抖振力的影响。表主梁跨中单位长度抖振力统计值工况统计值阻力 升力 力矩 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 塔顶单位长度抖振力阻力见表。由于桥塔顺风向都采用的谱，所以当不考虑风剖面影响时，种工况下塔顶所受风致抖振阻力铁道技术标准相同。表塔顶单位长度风致阻力统计值工况统计值阻力 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 不同风谱、风剖面下主梁和桥塔风荷载研究、节分别介绍了主梁及桥塔在种不同工况下所受的静风力和抖振力，实际的桥梁风荷载由静风力和抖振力两部分组成。主梁跨中单位长度所受的实际风荷载统计值见表。表主梁跨中单位长度风荷载统计值工况统计值阻力 升力 力矩 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 通过对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力和力矩分别为工况的、以及倍。对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力和力矩分别为工况的、和倍。由此可见，不同的风谱对主梁所受风荷载影响较大，且海洋风谱计算出的风荷载比陆地风谱计算出的风荷载更大。对比工况和的均方根值，工况的阻力、升力及力矩分别比工况增加了、以及。对比工况和，工况的阻力、升力和力矩分别比工况增加了、和。可见陆地风剖面求出的风荷载比海洋风剖面求出的风荷载更大，与节中结论相同。上述分析可知，风谱和风剖面的差异会影响主梁风荷载，且风谱差异对主梁风荷载的影响略高于风剖面的差异。对比了桥塔塔顶单位长度内风致阻力荷载的统计值，见表。对比工况和的均方根值，工况较工况减小了，工况的最大值较工况减小了。由此可见，陆地风剖面产生的风荷载较高，结论同 节。表塔顶单位长度风致阻力统计值工况统计值阻力 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 工况均方根值 最大值 结论本文从风剖面、风谱和相干函数方面进行理论分析，验证了海洋铁路桥梁和陆地铁路桥梁所受海、陆风场之间存在着差异性。并从风谱、风剖面等角度对某大跨度铁路桥梁的海、陆风场差异性进行了研究，通过对比分析铁路桥梁在海、陆风场条件下产生风荷载的差异，得出主要结论如下：（）在铁路桥梁风剖面相同的情况下，在相同的频率范围内，在同一个点位，海洋风谱（如谱）相比于陆地风谱（如谱）具有更高的能量，因此利用海洋风谱推算出来的桥梁风荷载会大于陆地风谱，因此海洋铁路桥梁若采用陆地风谱计算其风荷载响应会造成结构安全隐患。（）在相同风谱作用条件下，对于铁路桥梁，风剖面存在差异而其他条件相同时，陆地风剖面推算出来的平均风速大于海洋风剖面，因此陆地风剖面推算出的风荷载大于海洋风剖面。（）分析海、陆不同风场条件下产生的风荷载。风荷载主要由静风力和抖振力组成，对于静风力而言，静风力的大小主要由平均来流风速决定。也就是说对于同一铁路桥梁，在陆地风场条件下产生的静风力大于海洋风场下产生的静风力。但是另一方面，由于海洋风谱具有更大的能量，因此对于同一铁路桥梁，在海洋风场条件下其所受抖振力大房忱等：大跨度铁路桥梁海、陆风场差异性研究于陆地风场作用条件。因此需要重视海洋风谱对桥梁结构造成的抖振力影响，从而提高结构的安全可靠度。（）后续将结合实测数据进一步分析海陆风场在风向和空间相干函数上的变化特点。综述可知，桥梁结构所受风荷载会受到风剖面和风谱的显著影响。在实际工程问题中，需要结合具体情况，合理的选择相应风剖面和风谱来推算桥梁风荷载。参考文献：交通运输部公路桥梁抗风设计规范：北京：人民交通出版社，（）：，：，张少衡，葛卫春，陈允锐 风速谱与风速谱在通讯塔设计中的比较分析 特种结构，（）：苏成，何滔几种常用风谱模型的对比研究 结构工程师，（）：，：，：，：，：陈文炜，刘小龙，杭涔，等 双峰谱在近岛礁海域的适用性研究 中国造船，（）：，（）：杨镇宇，祝兵大跨钢桁梁悬索桥风致抖振响应时域分析 四川建筑，（）：，房忱风浪联合作用下的大跨度桥梁响应特性及桥上列车走行性研究 成都：西南交通大学，（）：责任编辑：张航