深切峡谷桥址区风场时空分布特性的多尺度模型风洞试验研究

桥址区风特性是桥梁抗风研究的前提，风参数的不确定性是影响桥梁抗风研究精度最重要的因素。针对深切峡谷桥址区风场时空分布特性，以现场实测风速数据为基本依据，以数值模拟（CFD）为复核手段，采用多尺度地形模型风洞试验的方法展开研究。在收集国内外相关资料的基础上，开展地形模型边界效应的研究，提出合理的地形模型边界模拟方式。然后基于合理的边界模拟方式开展深切峡谷桥址区风场特性研究，探明深切峡谷桥址区平均风和脉动风沿主梁、桥塔及来流方向的分布规律，明确风向对桥址区风场的影响，统计分析风速与风向及风攻角的联合分布关系，揭示地形对空气流动的作用机制，分析深切峡谷桥址区风场的时空相关特性，提出具有现实意义的深切峡谷桥址区的组合风谱，并进一步对比分析不同尺度范围地形模型对风场特性的影响，形成地形模型尺度范围选择的指导性原则。研究成果具有较广泛的应用前景，对实际工程有指导或借鉴意义。

本研究针对深切峡谷桥址区风场时空分布特性，采用风洞试验、数值模拟及理论分析的方法展开研究，主要的研究成果包括：1）基于理想流体圆柱绕流推导出一类过渡段曲线，通过二维理想台地地形的CFD数值模拟与风洞试验以及三维理想台地地形的数值模拟验证，该过渡段曲线相对于传统的斜坡过渡段能更适用于复杂地形桥址区地形模型的边界过渡段；2）进行了三维理想峡谷地形模型风洞试验，发现峡谷中的风速有所增加，湍流强度降低，峡谷中的风谱在低频部分较来流风谱要低；3）基于SST k-ω 湍流模型，通过在湍动能输送方程与比耗散率输送方程中添加源项实现了空流场中大气边界层的平衡，在此基础上，针对二维梯形山体上的风场计算结果阐明了满足平衡大气边界层的流场能显著提高数值模拟计算结果的精度；4）采用CFD数值模拟的方法研究了深切与半深切峡谷桥址区的风特性，对比分析了不同来流风向下横桥向风速与风攻角沿主梁的分布，确定了不同攻角情况下桥面风速及其与梯度风速的比值关系，探讨了峡谷风效应，为桥梁设计风速确定及进一步的抗风设计提供依据；5）研究了影响复杂地形桥址区风特性数值模拟模拟结果的几种因素，指出在复杂地形风场分析中宜采用湍流模型来计算，需要考虑一定的地表粗糙高度，并需注意来流的风场类型；6）进行了直径为15m的深切峡谷桥址区风特性的地形模型风洞试验，发现不同来流方向与不同来流风场类型均能影响桥址区的风速分布，当来流方向与桥轴线垂向成较大夹角时，桥址区风谱的高频成分会升高。通过本研究加深了对桥址区风特性的理解，研究成果具有广泛的应用前景。