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西部山区谷口处桥位风特性观测与风环境数值模拟研究

张玥  
【摘要】:山岭地区的面积占我国国土面积的大部分,随着经济建设的发展我国西部山区修建的大跨径桥梁日益增多,为保证结构在施工和运营阶段的安全性,需要对结构上作用的风荷载进行研究。而现有的抗风规范对于复杂山区、峡谷、山口地形风场特性参数没有明确规定,比如:受地形效应影响风速风压的变化规律;气流攻角的取值;风剖面的分布规律;紊流度、阵风因子的变化规律等。复杂山区桥梁风环境研究涉及到桥梁的几何形状、平面位置、来流朝向、上游地貌环境、周围地形等影响因素,国内缺乏这方面的研究储备,很大程度上影响着设计者准确预测这类地形下结构的风致响应。因此,系统深入研究西部复杂地形风场特性具有十分重要的意义。 本文系统全面的探讨了风环境研究的理论基础。基于风观测数据统计分析的方法首次利用C++Builder平台的flowdate结构和vector序列容器开发了自动快速处理海量风观测数据的桥梁风速数据处理系统V1.0。 首次对黄河中上游的特殊地形开展了风观测实践。通过桥址处架设的3座风观测塔对禹门口黄河大桥进行了为期一年半的风速数据采集,利用实测风速数据统计得到了风特性参数,首次得到了峡谷山口处实桥桥位的风场分布特点和规律:①受到峡谷风效应的影响,桥位风速增加;②气流攻角大约在-9°-8°范围内,比平原地区大;③风剖面应通过实测风速数据拟合,不能直接套用规范;④湍流度和阵风因子小于一般气象强风条件下的值。 首次应用CFD技术对由峡谷河道变为宽浅河道的喇叭口地形风场进行了数值模拟。基于“数值风洞”模拟技术首次采用Realizableκ-ε和SSTκ-ω湍流模型按有实桥结构和无实桥结构两种情况建模,模拟了七种工况下桥位及其周边的风场,得到了桥位处风剖面、风场风速流线、压力流线、湍流等分布规律,并将计算结果和现场风观测数据进行了对比分析,验证了本文数值计算方法的正确性。 首次结合现场实测和数值模拟两种方法对西部峡谷山口处桥位风特性进行了对比研究,总结了桥位附近风特性的变化规律及桥位风场绕流情况,分析了实桥结构对风场的影响,给出了峡谷山口处强风时段湍流积分尺度和风剖面模型的建议,为内陆风环境的研究提供了参考。


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