起伏地形对高速公路桥梁段区域风场影响的研究

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　　【摘 要】随着改革开放的进行和社会经济的迅猛发展，工业化、城镇化的步伐逐渐加快，国家公路网规模在不断发展变化中出现了更为巨大的需求，高速公路基础设施建设开始发生了历史性转变。高速公路的飞速发展使我国的交通系统更加完善，促进了城乡区域协调发展，推动了我国城镇化的进程。因此，为了不断推动我国高速公路不断发展，本文将针对起伏地形对高速公路桥梁段区域风场的影响展开研究。
　　【关键词】起伏地形；高速公路；风场
　　近年来，随着交通事业的高速发展和西部大开发战略的实施，山区高速公路的建设日益增多，由于山区地形较为复杂，很多区段都会架设高速公路桥梁段，以达到跨越不同的地形地貌、实现地区间交互联通的效果。目前，桥梁风工程的研究主要集中在风荷载计算、抗风设计、平坦地形条件下桥梁区域风场的数值模拟等方面，缺少对起伏地形条件下高速公路桥梁段区域风场的研究。基于这样的现实情况，本文的研究则更加具有实用性。
　　1 高速公路建设对环境的影响
　　在研究起伏地形对高速公路桥梁段区域风场之前，首先应该明确高速公路的建设对周围环境的影响，只有在此基础上才能够对起伏地形的影响作出正确的判断。
　　1.1 影响生态环境
　　修建高速公路的过程中，必然会发生填筑、开挖、桥隧施工、修筑便道等施工活动，这样会造成植被破坏、改变原有的地表环境、引起水土流失，直接导致生物死亡率的上升，恶化了动物栖息的生态环境。生物自然生活环境遭到物理性破坏，从而降低生物多样性。
　　1.2 影响环境的物理性与化学性
　　高速公路建设改变了所在区域的土壤密度、土壤水分含量、温度、光照强度、地表径流，增加了烟尘、颗粒物等大气污染。不仅如此，关于高速公路建设对环境的化学性影响的研究比较多，化学影响主要来源于交通运输过程中释放的化学物质对空气、水、和生物的污染。
　　1.3 对环境产生阻隔效应
　　髙速公路作为一种重要的交通设施，会阻隔一些自然过程，如改变地面水流方向、影响植物扩散、阻碍动物在道路間的活动等。道路的阻隔将动物种群分割为多个小的局域种群，减弱了动物对环境的适应能力，导致种群灭绝率增加。
　　2 大气边界层风场特性
　　在明确了高速公路对环境的影响后，本文将针对大气边界层风场的特性进行研究，从而分析出起伏地形对于高速公路桥梁段区域风场的影响。
　　风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均勾性，从而在地球相同高度的两点产生压力差，这样，使不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动，这便是风产生的根本原因。地球表面的摩擦会对空气水平运动产生阻力，从而使气流速度降低，随着高度的增大该阻力对气流的作用逐渐减弱，当超过了一定的高度之后，这种地面摩擦的影响就可以忽略不计。气流将沿等压线以梯度风流动，称这一髙度为大气边界层高度或边界层厚度。在边界层以上的大气称为自由大气，以梯度风速流动的起点高度称作梯度风高度。
　　一般地，自然风可以分解为两个部分：第一部分是长周期，其周期大小一般在以上；另一部分是短周期，其周期往往只有几秒至几十秒。第一部分的作用属于静力性质，称为平均风；而第二部分属于随机的动荷载，称为脉动风。
　　2.1 平均风
　　平均风是在给定时间内，风力大小、方向等不随时间改变的量。平均风特性主要指场地基本风速，风速沿高度的变化曲线的规律等等，定义基本风速涉及地面粗糙度标准、高度标准、重现期与时距标准个因素的选取。我国《公路桥梁抗风设计规范》规定当桥梁所在地区的气象台站具有足够的连续风速观测数据时，可采用当地气象台站年最大风速的概率分布类型，由平均年最大风速推算年重现期的数学期望值作为基本风速。在大气边界层中，平均风速随高度的变化而变化，且随建筑物所在区的地貌地表粗糙度而变化，其变化规律称为风速剖面。而气象学家一般釆用对数律表示强风风速剖面，在高度内可以有效地模拟实际风速分布。相比对数律来说，指数律计算更加方便，且计算结果基本相同，我国《公路桥梁抗风设计规范》采用的就是指数律。
　　2.2 脉动风
　　脉动风速是指在某时刻空间某点的瞬时风速与平均风速的差值，它能够反映大气边界层中自然风的瑞流特性，瑞流特性对工程结构的作用十分重要。表征风的脉动分量的参数主要包括瑞流强度和瑞流积分尺度，脉动风的风速谱和相干函数。
　　3 起伏地形对高速公路桥梁段区域风场的影响
　　3.1 迎风侧起伏地形对高速公路桥梁段区域风场的影响
　　当起伏地形高度低于桥面高度时，一部分气流穿过桥底，在地形背风侧与桥壤之间存在一个沿桥长方向分布的风速梯度带，起伏地形高度越大，风速梯度越大。气流遭遇桥墩之后，发生分离、再附的现象，并在桥墩两侧附近汇聚，风速增大。气流穿过桥底，风速变化趋于平稳，在背风面桥后侧形成了狭长的风速尾流区。
　　当起伏地形高度大于桥面高度时，气流绕过起伏地形之后，在其背侧产生旋祸，故地形背风面存在沿桥长方向分布的低速区，起伏地形高度越大，旋祸发展越强烈，低速区范围越大。气流穿过桥底，由于地形背风区域旋祸的影响，桥底区域的风场分布产生了较大的改变，起伏地形高度越大时，旋润发展越剧烈，风向越混乱，桥底区域的风场分布越复杂；起伏地形高度较小时，迎风面护栏内侧产生较为明显的旋祸，离桥面高度范围内存在沿桥梁高度方向分布的风速梯度带。
　　复杂地形条件下，地形背风侧产生较大的旋祸，桥底区域的风场分布较为复杂；位于支点处的桥面上方区域风速较低。来流在绕过地形和桥面的过程中，单一地形条件下的风速比复杂地形条件下的风速要大。这说明地形越复杂，桥面上方的风速值越小。
　　3.2 背风侧起伏地形对高速公路桥梁段区域风场的影响
　　气流经过桥底区域时，受到背风侧地形的影响，导致桥底区域的风速有逐渐减小的趋势。起伏地形高度越大，桥底区域的风速越小；气流穿过桥底后，遭遇起伏地形的阻碍，风速逐渐降低，故地形迎风侧存在一个风速梯度带，起伏地形高度越大，风速梯度越大。气流绕过桥墩，在桥墩与地形之间产生回流，故在桥墩背侧存在低速区；背风侧起伏地形条件下，气流绕过迎风侧护栏，护栏内侧产生旋涡，起伏地形高度越大，旋涡产生的范围越大。
　　离桥面5m高度范围内，不同起伏地形高度的条件下，桥面上方区域的风速变化趋势大致相近，但是风速梯度明显不同，随着起伏地形高度的增加，风速梯度越大，桥面上方的风速越小；复杂地形对桥底区域的风场影响较大，地形越复杂，桥底区域的风速越小。在桥面上方1.5m处，复杂地形条件下的风场分布更加复杂，涡流发展更为剧烈；在离桥面高度5m范围内，单一、复杂地形两种条件下的风速变化趋势大致相近。复杂地形条件下的风速略小于单一地形条件下的风速。
　　结束语
　　本文在分析了高速公路建设对环境影响的基础上，详细介绍了大气边界层风场的特性，并有针对性地分析了平均风与脉动风，并最终从迎风侧起伏地形、背风侧起伏地形两个角度总结出了起伏地形对高速公路桥梁段区域风场的影响，希望能够为今后的高速公路桥梁区域建设提供一定的理论支持。
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