Influence of Wind Sensor Location on Bridge Tower on Measurement Results
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(2) 西 南 交 通 大 学 学 报 第50 卷 计 提 供 可 靠 依 据 址 区 风 场 特 性 的 确 定 一 般 可 以 .桥 值计算 采用CFD (computational fluid dynamics )仿真模 2 数 拟[ ]、风洞地形模型试验[]和现场实测[ ]3 种 2. 1 计算模型 用 计 算 流 体 力 学大型商用软件Fluent,针对 方 法 . 采 现场实测是目前确定桥址区风场特性应用最 研 究 对 象 ,利 用前处理软件Icem 建立桥塔附近流 广 泛 也 是 最 直 接 的 方 法 ,国 内 外 已 进 行 大 量 现 场 实 动 区 域 的 几 何 形状 ,设定边界类型并生成网格 ,输 测 杏 平 、刘 明等分别对沿海平原地区的苏通大 出 用 于Fluent 求 解 器 计 算 的 格 式 ,选 择 合 适 的 模 型 .李 [ ] 桥 、西 堠 门 大 桥 桥 址 区 的 风 特 性 进 行 了 实 测 ;张 和 参 数 进 行 计 算 . 亮 分 别 对 黄 河 中 上 游 的 禹 门 口 黄 河 大 桥 和 新 为考察不同来流风向下桥塔附近风场的变化 癑、高 疆 阿 拉 山 口 、达 坂城 、额尔齐斯河河谷风场进行了 规 律 ,采 用600 m × 600 m 的 .桥 正 方 形 计 算 区 域 塔 实 测[ ];朱 乐 东 、庞 加 斌 、金 磊等分别对位于中西 截 面 最 大 特 征 尺 寸 为7. 5 m,计算区域内阻塞率最 .有 限元模型采 部 山 区 的 坝 陵 河 大 桥 、四 渡 河 大 桥 和 矮 寨 大 桥 桥 址 大 为2. 5% ,阻塞率满足计算要求 [ ] 结 构 化 网 格 对 计 算 区 域 进 行 离 散 区 的 风 特 性 进 行 了 观 测 ;T Amano 等 采 用三维 用 重 点 分 析 桥 .为 多 普 勒 雷达 ,对过境冲绳岛的一个台风进行了观 塔 附 近 的 风 场 ,对桥塔区周围的网格进行加密 ,远 [ ] 测. 离 桥 塔 区 的 网 格 划 分 相 对 较 稀 .计 算 区 域 内 共 划 分 实 测 大 多 是 在 桥 址 区 新 建 风 观 测 塔 ,对 桥 址 区 网 格 约63 万 个 据来流风向的不同设置入口和 .根 [ ] 口 边 界 ,入 口 边界采用速度入口 ,出口边界采用 有利用在建的桥塔或主 出 的 风 特 性 进 行 实 测 ,也 [ ] ,桥塔壁面采用无滑移边界条件 .采 用 论是新建风观测 压力出口 梁 进 行 桥 址区风场实测 的 .无 .计 流 模 型 分 析 计 算 区域内的风场流动 算区 塔 ,还 是 利 用 已 有 的 主 梁 或 桥 塔 对 桥 址 区 风 特 性 进 kω 湍 局 部 网 格 划 分 见 图1. 行 实 测 ,多 数 未 能 充 分 考 虑 风 观 测 塔 或 桥 梁 构 造 物 域 .实 对 观 测 的 影 响 测中 ,由于大部分风传感器距离 内 ,不 能 忽 略 构 造 物 对 测 量 结 果 的 构 造 物 在5 m 以 影 响 此 ,如 何合理地选择风传感器的安装位置 .因 以及如何对实测数据进行修正 ,是需要解决的 问 题 . 本文分析了风传感器安装位置对测量结果的 影 响 ,对 山区桥塔上风传感器的安装位置进行优 化 ,并 给 出 了 不 同 来 流 下 风 速 和 风 向 的 修 正 函 数 . 618. 12. 3. 46. 78. 910. 1113. 14. 610. 15. 1 . 以 位 于 云 南 西 部 山 区 的 龙 江 大 桥 为 工 程 背 景 . 龙 江 大 桥 是 保 腾 (保山 — 腾冲)高速公路控制性工 程 ,是 主 跨 为1 196 m 的单跨悬索桥 ,锚跨320 m, 跨 径 组 合 为320 m + 1 196 m + 320 m. 桥塔采用混 凝 土 组 合 圆 形 截面 ,桥塔横梁采用箱形梁截面 ,保 山 岸 索 塔 (东 塔 )和 腾 冲 岸 索 塔 (西塔)的高度分别 为178 和137 m. 龙 江 大 桥 主 梁 设 计 高 程距离河谷底约285 m, 址 区 地 形 地貌复杂 ,风环境恶劣 , .桥 河 谷 呈 “V”型 加 之 该 桥 跨 度 大 、桥 塔 高 ,结 构 较 柔 性 ,对 风 的 作 用 非 常 敏 感 .因 此 ,对龙江大桥的风特性进行了长期 现 场 实 测 ,风传感器安装在风速较大的保山侧桥 . 塔 上 . 图计 算 区 域 局 部 网 格 划 分. 工程背景. 1 Fig. 1 Local meshes in computational domain. 计算工况 有 的 气 象 观 测 资 料 表 明 ,桥 位 处 的 风 向 较 为 已 固 定 ,主 要 以 顺 河道的东南风和西北风为主 位 .桥 处 日 常大风10 min 平均风速最大约12 m / s. 根据 桥 位 处 已 有 的 风 向 和 风 速 资 料 ,设 置 了5 种 不 同来 流 风 向 的 计 算 工 况 ,这 些 工 况 包 含 了 桥 位 处 的 主 要 来 流 风 向 .同 时 ,针对核心工况3 设置了5 种不同 图2(a). 来 流 风 速 ,工 况1 ~ 5 见 为 减 少2 个 塔 肢 的 干 扰 ,风 传 感 器 的 安 装 选定 在 主 风 向 迎 风 侧 的 上 游 塔 肢 上 ,因 此 重 点 分 析 上 游 全面了解桥塔周围的绕流情 .为 塔 肢 附 近的风场 况 ,有 限 元 模 型 中 ,在上游侧塔肢周围以塔中心为 圆心的一系列圆周上布置虚拟风观测点(见. 2. 2 .
(3) 第4 期 张明金,等:桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响 619 图2(b)),每 个 圆 周 上 均 布 置32 个 虚 拟 风 观 测 点 , 代 表 桥 位 处40% 的来流风向 ,故就该来流风向对 两 观 测 点间隔的角度为11. 25°. 圆半径从5. 5 ~ 桥 据 工 况3 的 来 流 风向 .根 塔 周 围 的 流 场 进 行 分 析 虚 拟 风 观 测 点 离 桥 塔 表 面 的 距 离 为1. 75 ~ 将 12. 5 m, 桥 塔 周 围 的观测点分为2 类 — — — 直接面对来流 定桥塔的特征尺寸为D,相当于虚拟风 方 8. 75 m. 假 向 的 观 测 点 称 为 迎 风 侧 观 测 点 ,背 向 来 流 方 向 的 观 测 点 离 桥 塔 的 距 离 为0. 2D ~ 1. 2D. . 观 测 点 称 为 背 风 侧 观 测 点 离塔柱不同距离处迎风侧观测点的风速比值 (观 测 点 处 的 风速与来流风速之比)见图3 (a). 可 见 ,风 速 比 值 在0. 45 ~ 1. 30 之 间 波 动 ,随 观测点距 塔 柱 距 离 增 大 ,风速比值波动幅度迅速减小 ,逐渐 与 来 流 方 向 夹 角 为45. 0° ~ 56. 5° 和 趋 近 于1. 0;在 区 间 内 ,风速比值随距塔距离 - 45. 0° ~ - 56. 5° 的 . 增 大 而 迅 速 减 小 ,当 距 离 为0. 6D 时已趋近于1. 0, . 表 明 此 时 风 观 测 点 处 的 风 速 和 来 流 风 速 相 同 (a)计 算 工 况 风 向 (b)虚 拟 风 观 测 点 背 风 侧 观 测点的风速比值见图3 (b). 由于背 图2 计 算 工 况 及 虚 拟 风 观 测 点 布 置 风 侧 观 测 点 大 部 分 位 于 桥 塔 尾 流 区 ,故 风 速 波 动 较 Fig. 2 Calculation cases and virtual observation points .正 尾 流 区的风速比值均小于0. 3,表明该区域 大 算结果与分析 3 计 ,因 内 风 传 感 器 测 得 的 风 速 仅 为 实 际 风 速 的0. 3 倍 此 不 考 虑 在 主 风 向 的 背 风 侧 安 装 风 传 感 器 . 周流场 3. 1 塔 测 点 风 向 角 的 误 差 见 图4. 风 向 角误差是指 工 况3 的 来 流 风 向 处 于 桥 位 处 主 风 向 中 心 ,能 观 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(5) . . (a)迎 风 侧. . . . . . . . (b)背 风 侧. 测 点 风 速 比 值 图观. 3 Fig. 3 Wind speed ratio of observation points. . . . . . . . . . .
(6). . . . . . . . .
(7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a)迎 风 侧. (b)背 风 侧. 图观 测 点 风 向 角 误 差. 4 Fig. 4 Deviation of wind direction of observation points.
(8). . .
(9) 西 南 交 通 大 学 学 报 第50 卷 风 传 感 器 安 装 位置处的计算风向与实际来流风向 误 差 基 本 不 变 ,表 明 风 传 感 器 的 安 装 位 置 对 风 速 不 图4 (a )可见 ,正对来流方向(迎风侧) 敏 的 夹 角 感 .从 . 的测点,其风向角误差最小,其次为与来流风向成 3. 3 风向的影响 测 点 的 说 来 ,风 向 角 的 误 差 随 观测点距桥 以 距 离桥塔1. 0D 处迎风侧的观测点来分析 90° 的 .总 . 在 .迎 塔距离增大而迅速减小 与来流风向夹角为 来 流 风 向 对 风 速 比 值 和 风 向 角 误 差 的 影 响 风 侧 围 内 ,当 距 桥 观 测 点 风 速 比 值 随 风 向 的 变 化 见 图6(a). 45. 0° ~ 56. 5° 和 - 45. 0° ~ - 56. 5° 范 塔 距离达到1. 0D 时 ,风向角的误差小于10°. 从 从 图6(a)可 见 : 图4(b)可 见 ,背 风 侧 处 于 桥 塔 尾 流 区 ,风 向比较紊 (1)来 流 风 向 对 风 速 比 值 的 影 响 明 显 ,说 明 来 . 乱 ,规 律 性 不 明 显 流 风 向 改 变 是 引 起 风 速 比 值 变 化 的 主 要 因 素 ; (2)在 5种 根 据 以 上 分 析 可 见 ,若以风速比值介于0. 9 ~ 不 同 来 流 风向下 ,风传感器在拟定 间 ,风 向 角 误 差在± 10° 以内为原则 ,风传感 的 安 装 区 域 内 均 能 满 足 风 速 比 值 在0. 9 ~ 1. 1 之间 1. 1 之 . 器 较 优 的 安 装位置为距桥塔距离大于1. 0D,且与 的 要 求 来 流 风向的夹角为45. 0° ~ 56. 5° 和- 45. 0° ~ - 56. 5° 范 . 围 内 速的影响 3. 2 风 采用核心工况3 的来流风向 据上述分 仍 .根 析 ,风传感器的安装位置应距离桥塔1. 0D 以上 , 因 此 ,采 用 距 离 桥 塔1. 0D 处迎风侧的观测点来考 . 察 风 速 的 影 响 图 5为 迎风侧观测点的风速比值和风向角误.
(10) 差 随 来 流 风 速 (分 别 为6、8、10、12 和14 m / s)的 变 化 见,尽管来流风速不同,但风速比值、风向角 .可 (a)风 速 比 值 620. .
(11). . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(12)
(13)
(14)
(15)
(16) . . . . . . .
(17) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(18) . . . . . . . . . . Fig. 6 Influence of wind direction.
(19) . . . . . . . (b)风 向 角 误 差 向 的 影 响 图6 风. . . .
(20). (a)风 速 比 值. . . . . . . . . . . . . . . . (b)风 向 角 误 差 图5 风 速 的 影 响 Fig. 5 Influence of wind speed. . 迎 风侧观测点风向角误差随风速的变化见 图6(b). 从 图6(b)可 见 : (1)风 向 角 误 差 也 与 来 流 风 向 紧 密 相 关 ; (2)在5 种 不 同 来 流 风 向 下 ,拟 定 安 装 区 域 内 . 均 满 足 风 向 角 误 差 小 于± 10°的 要 求 3. 4 观 测结果修正 上分析表明 ,风传感器安装在距离桥塔 以 1. 0D 以 上 、与来流方向夹角为45. 0° ~ 56. 5° 和.
(21) 第4 期. 张明金,等:桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响 621 围 内 时 ,可同时满足风速比值 - 45. 0° ~ - 56. 5° 范 论 , 4 结 在0. 9 ~ 1. 1 之间和风向角误差小于10° 的要求 且 具 有 较 强 的 风 速 适 应 性 峡 谷 区 桥塔上风传感器的安装位置进行了 . 对 此 外 ,即 使 风传感器安装在上述优化区域 ,风 优 化 ,分 析了风传感器安装位置对测量结果的影 速 比 值 仍 在1. 0 附 近波动 ,风向角也有10° 以内的 响 ,获 得 以 下 结 论 : 误 差 ,因 此 需 要 对 实 测 风 速 、风 向 进 行 修 正 基 于 (1)桥 .可 塔 对 风 观 测 结 果 的 影 响 较 大 ,即 使 风 传 以 上 分 析 结果确定风速修正系数和风向角 感 CFD 的 器 位于迎风侧 ,风速比值仍然在0. 45 ~ 1. 30 之 修 正 值 风速修正系数与来流风向的关 间波动 .图 7 (a )为 ,实际观测需要考虑桥塔对空气流动的 流 方 向 为0°). 系 (风 向 角 以 工 况1 来 影 响 . 从 图7(a)可见 ,风速修正系数与来流风向近 (2)对 圆 柱 形 桥 塔 ,风 传 感 器 的 安 装 位 置 应 距 似 呈 线 性 关 系 变 化 此 ,修 正 后 的 风 速 .因 离 桥 塔 外 表 面1. 0 倍 特 征 尺 寸 以 上 ,与 来 流 风 向的 u = ru , 夹 角 宜 在± (45. 0° ~ 56. 5°)范 围 内 . 式 中 :u 为 测 量 风 速 ; (3)优 化 后 的风传感器安装位置对风速不敏 r为 风 速 修 正 系 数 ,可 根 据 拟 合 函 数 (图7 (a)) 感 ,但 对 风 向 较 敏 感 ,因 此 ,风 传 感 器 的 安 装 位 置 应 获 得 . 根 据 桥 位 处 的 主 导 风 向 确 定 . (4)现 场 观 测 数 据 宜 进 行 修 正 ,修 正 可 减 小 桥 . 塔 对 观 测 结 果 的 影 响 参考文献: x. c. c. . . . . . .
(22) . ψ. . . .
(23) . . . . ψ . . . spatial distribution feature of wind fields over bridge site. . with a deepcutting gorge using numerical simula. (a)风 速 修 正 β.
(24) . . ψ ψ. . . . . β. . . [] China Civil Engineering Journal, 2011, ( ):116122. [2] 李 永 乐 ,唐 康 ,蔡 宪 棠 ,等 切 峡 谷 区 大 跨 度 桥 梁 的 . 深 复合风速标准[J ]. 西南交通大学学报 ,2010, 45 (2 ):167173. LI Yongle, TANG Kang, CAI Xiantang, et al. tion J .. 44 2. . . . 深 [1] 李 永 乐 ,蔡 宪 棠 ,唐 康 ,等 切 峡 谷 桥 址 区 风 场 空 间 分 布 特 性数值模拟研究[J]. 土木工程学报 ,2011, 44 (2 ):116122. LI Yongle,CAI Xiantang,TANG Kang,et al. Study of. . . . Integrated wind speed standard for longspan bridges.
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(26) 西 南 交 通 大 学 学 报. 622 PANG. Jiabin. ,. SONG. Jinzhong. ,. LIN. 第50 卷. Zhixing.. Investigation on wind profiles in the deep gorge at the. Determination method for windresistant design wind. Balinghe bridge site via field measurement J . Journal. speed of mountainousvalley bridge J . China Journal. [] of Experiments in Fluid Mechanics,2011 ,25 (4 ):15. analysis of daily strong wind on bridge site in deep gorge. measurement analysis of wind turbulence charac. [] of Highway and Transport,2008 ,21 (5 ):3944. 21. [6] 李 永 乐 ,张 明 金 ,徐 昕 宇 ,等 海 拔 高 温 差 深 切 峡 谷 [12] 庞 加 斌 ,宋 锦 忠 ,林 志 兴 渡 河 峡 谷 大 桥 桥 位 风 的 . 高 . 四 桥 址 区 日 常 大 风 成 因 [J]. 西 南 交 通 大 学 学 报 ,2014, 湍 流特性实测分析[J ]. 中国公路学报 ,2010, 49 (6 ):935941. 23 (3 ):4247. LI Yongle,ZHANG Mingjin,XU Xinyu,et al. Cause PANG Jiabin, SONG Jinzhong, LIN Zhixing. Field [] Journal of Southwest Jiaotong University,2014 ,49 (6 ):. [] Journal of Highway and Transport,2010 ,23 (3 ):. with high altitude and high temperature difference J .. teristics of Sidu river valley bridge site J . China. 935941.. 42 47 .. characteristics of Sutong bridge based on longterm. Wind monitoring system and data analysis for Aizhai. [7] 李 杏 平 ,李 爱 群 ,王 浩 ,等 于 长 期 监 测 数 据 的 苏 通 [13] 金 磊 ,王 修勇 ,廖建宏 ,等 寨悬索桥桥址风环境 . 基 . 矮 大 桥桥址区风特性研究[J ]. 振动与冲击 观 测 系 统 及 数 据分析[J]. 湖南工学院学报 ,2010, ,2011, 29 (10 ):8285. 21 (3 ):6567. LI Xingping, LI Aiqun, WANG Hao, et al. Wind JIN Lei, WANG Xiuyong, LIAO Jianhong, et al. suspension bridge[J]. Journal of Hunan Institute of [] , , ( ):8285. Engineering,2011 ,21 (3 ):6567. [8] 刘 明 ,廖 海 黎 ,李 明 水 ,等 堠 门 大 桥 桥 址 处 风 场 特 [14] AMANO T,FUKUSHIMA H,OHKUMA T,et al. The . 西 性 研 究 [J]. 铁 道 建 筑 ,2010,37(5):1821. observation of typhoon winds in Okinawa by Doppler LIU Ming, LIAO Haili, LI Mingshui, et al. Wind sodar[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial characteristics of Xihoumen bridge based on monitored Aerodynamics,1999 ,83 (1 / 2 / 3 ):1120. [15] 喻 梅 ,倪 燕平 ,廖海黎 ,等 堠门大桥桥位处风场 . 西 data [J ]. Railway Engineering ,2010 ,37 (5 ):18 特 性 实测分析[J]. 空气动力学报 ,2013,31 (2 ): 21 . [9] 张 部 山 区谷口处桥位风特性观测与风环境数 219224. 癑. 西 值 模 拟 研 究 [D]. 西 安 :长 安 大 学 公 路 学 院 ,2009. YU Mei, NI Yanping, LIAO Haili, et al. Field measurement and analysis of the natural wind . 内 [10] 高亮 陆强风特性的现场实测与模拟[D ]. 西 安 :长 安 大 学 公 路 学 院 ,2012. characteristics at site of Xihoumen bridge[J]. Acta Aerodynamica Sinica,2013 ,31 (2 ):219224. [11] 朱 乐 东 ,任鹏杰 ,陈伟 ,等 陵河大桥桥位深切峡 . 坝 谷 风剖面实测研究[J ]. 实验流体力学 ,2011, 25 (4 ):1521. (中、英文编辑:付国彬) ZHU Ledong, REN Pengjie, CHEN Wei, et al. monitored data J . Journal of Vibration and Shock. 2010 29 10.
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