1）风环境研究方法

风环境研究方法主要有现场实测、风洞试验和数值模拟3 种。

（1）现场实测

现场实测是研究风环境最直接、最真实的一种手段，是用风速仪进行现场观测和记录，从而得到风特性参数和结构振动情况，但其具有投资大、成本高和测量周期长的局限性。 目前，桥梁风环境现场观测已在9 座大桥上得到了应用。

（2）风洞试验

大型桥梁中应用风洞试验较多，通过在风洞中模拟桥址处地形及其风场环境来得到桥址处风特性参数。

（3）数值模拟

数值模拟是用计算流体动力学分析和模拟风对结构的影响。 数值风洞技术从比较简单的断面气动参数模拟发展到复杂的断面气动参数模拟，从二维流场计算发展到三维流场计算，从基于时间平均的雷诺应力湍流模型发展到基于瞬态求解的大涡模拟（LES）湍流模型。

2）国内外风环境研究状况

在风场特性研究中，Davenport 等进行了开拓性的工作，提出了著名的Davenport 风速谱，给出了风剖面指数模型、地面粗糙度及3 种地形（中高层建筑密集区、中高层建筑稀少区和低层建筑稀少区）概念的具体描述，Davenport 得出的不同地形下的风剖面指数模型，如图1.1所示。

(www.daowen.com)

图1.1　不同地形下的风剖面指数模型／ft

Richards 等通过实例证明了标准k⁃ε 模型、RNG k⁃ε 模型、威尔科特斯k⁃ω 模型和LRR模型四种湍流模型在风工程中应用的可行性和可信性。 Bowen 等发现复杂地形的模型尺寸比例小于1／500 时，在风洞试验中测出的该地形下的强风特性参数与实际有较大误差。Louka 等将卡尔曼滤波作为后处理方法来预测风速和风能，发现其误差小。 Baker 等通过足尺模型风洞试验和CFD 数值模拟技术用表面压力分布描述了无风下和侧风下行驶列车周围的流场变化情况。 Tsang 等通过建立一个覆盖域为建筑物背风侧400 m 范围的风洞模型试验研究了风和结构的交互影响。 Blocken 等和Montazeri 等为改善城市风环境质量，都应用CFD 数值模拟技术建立了风舒适和安全评估模型，将仿真结果与现场长期测量结果进行对比。 Razak 等应用大涡模拟（LES）对5 种非等高、不同纵横比的建筑区域周围流场进行了模拟，对市区内行人所处的风环境进行了评价。 An 等将风洞试验和CFD 数值模拟技术相结合，对经过市区环境后的风速和湍流动能变化进行了研究。 Meroney 等和Blocken 等对近五十年计算机风工程应用的可信性、计算机模拟出的工程受到风荷载作用、工程对周围风环境的影响等方面做了总结。 Vernay 等应用系统识别技术提高了建筑周围的风环境模拟的精确程度。 Tominaga 等通过实例分析了稳定和非稳定雷诺时均N⁃S 方程（Reynolds⁃Averaged Navier⁃Stokes Equations）模拟大规模的波动对风速统计量的影响。 Patlakas 等应用跨阈值方法（越界峰值法）和年极值法，对希腊群岛10 年风速数据建立了风速分析和预测模型，经过敏感性测试和调整，得到了希腊群岛50 年风速极值地图。

国内对风环境的研究始于20 世纪90 年代初期。 王存忠等和刘小红等分析了边界层脉动谱特征和强风边界层。 王蓓蕾等应用1989 年12 月—1990 年1 月在重庆地区收集到的实测资料对自然风的风特性参数进行了研究。 杨杰、胡晓红、赵林等分析了台风特性。庞加斌等对两次台风过程和四渡河峡谷大桥桥址处风特性进行了实测。 李春光等在数值模拟上采用了简易模型，在试验上采用了真实复杂地形模型，将二者相结合，总结了收缩性山区峡谷地形风场特性的分布规律。 陈正洪等通过已有气象资料应用比值法求得武汉阳逻长江大桥的桥址处风速。 刘聪等在苏通长江公路大桥桥位南岸建立了80 m 高风观测塔进行了3 年的风特性实测。 胡峰强等提出了梯度风速修正法推测出桥址处风速，并用传统的指数律法和桥位风观测分析法进行了验证和比较。 王浩等发现带拐点的谱曲线表达式能比较准确地模拟出沿海地区桥址处的三维脉动风场。 郑毅敏等修正了常用的脉动功率谱。 史文海等通过实测得到了台风“海鸥”的风特性参数。 张亮亮等在大宁河大桥桥址处和寸滩大桥桥址处开展了现场实测，得到了平均风速、风向、风攻角、湍流强度、湍流积分尺度等山区风环境特性参数。 陈政清等通过风洞试验发现桥址处山区峡谷风场分布具有三维性，目前参考《规范》规定的四类地形不能满足工程需要。 李永乐等指出深切峡谷桥址区风场特性复杂。 通过对高海拔、高温差深切峡谷内的大渡河大桥桥址处风环境进行实测，发现引起桥位处的大风原因有大尺度大气环流和小尺度范围内热力驱动，也受局部地形及随时间变化的日照的影响，桥位处日常大风出现的频率较高。 徐洪涛以贵州坝陵河大桥为研究对象，通过CFD 数值模拟技术和节段模型风洞试验，对山区峡谷地形的湍流风进行了深入研究。 朱乐东等在坝陵河大桥采集到了两年多的桥址处风速数据，推算出高海拔桥址处的设计基准风速。

3）风场特性研究的必要性

桥梁在可能出现的最大风速情况下、规定的时间范围内，不应该发生毁坏性的自激发散振动，即驰振和颤振。 规定的时间范围是指桥梁在设计的使用年限内；空间范围是指桥的位置所在的区域范围内，并且当风速未达到破坏性风致振动时，桥梁的振幅要满足结构的疲劳、行车的安全可靠性和行车的舒适度要求。

在桥梁设计中，设计基准风速过低时，桥梁会因发生自激发散振动而被毁坏；设计基准风速过高时，桥梁成本会大大增加，造成桥梁整体造价较高，引起不必要的经济损失。 为在保证桥梁结构安全的同时控制桥梁造价，桥址处的百年一遇最大风速应尽可能精确。 表1.2是风荷载和桥梁风致响应的分类。

表1.2　风荷载和桥梁风致响应的分类

《规范》中气象资料给出的风速（包括风速大小、风向等）是开阔平坦地区，10 m 标高，百年一遇的10 min 平均风速，没有给出湍流特性方面的资料。 对于大跨度桥梁的动力响应问题，湍流特性（特别是脉动功率谱、湍流积分尺度、阵风强度和相关函数）的正确模拟尤为重要，它们是引起桥梁结构抖振响应和涡激振动的主要因素，可能导致桥梁结构的疲劳，甚至引起桥梁结构的涡激共振。 西部山区风被不均匀地形破碎成小漩涡，导致了湍流变化急剧强烈。 山区的公路交通设施因这些特殊的地形条件制约而落后于沿海和平原地区。 我国西部地区属于峡谷山区地形，其地形地貌复杂，因此自然风特性也相当复杂。 目前，山区桥梁和大型结构建设项目日益增多。 尽管国内各科研单位逐步开展了一些西部山区风环境研究，但对西部山区风环境现场的测试研究十分有限，而风场特性直接影响桥梁的抗风设计。对西部山区风环境开展现场测试，得到桥址处风场特性后，可以根据西部山区风场的特点（如西部沿江的峡谷风场），有针对性地对大跨度桥梁的主梁进行气动设计和优化，以最大限度地适应西部山区跨江、跨河桥梁的建设。 随着我国西部大开发的逐渐扩大，以及近年来内陆地区经济的高速增长，在西部山区建造的大跨度桥梁已不是个案，随着桥梁建设投入的加大、桥梁跨度的增大，对桥址处风场特性的研究迫在眉睫，尤其是作为西部山区经济增长高地的重庆市三峡库区长江沿线的风场特性研究。 从已有的文献看，目前开展的相关研究工作还亟待提升。