桥梁抗风基础.

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20世纪的后50年间，虽然没有发生象塔科马桥那样的风
毁事故，但是简易人行吊桥的风毁（日本，1963 年），架
设中的桁架桥的风毁（日本木曾川桥，1962年），施工中 独立桥塔因风振而产生的塔柱接头部位的损伤（1964年建 成的英国福斯桥），下承式拱桥及郎格尔桁架的吊杆因涡 激共振产生的疲劳损伤，斜拉桥的缆索振动等，却时有报 道。因此桥梁的风害至今仍然是桥梁工程师们十分关注的 问题。

抖振 buffeting：风的紊流成分所激发的结构随机振动，也称为紊
流风响应。

颤振检验风速 flutter checking wind speed：检验桥梁避免
发生颤振的风速。
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风工程基本术语

静力三分力 aerostatic force：气流绕过桥梁结构所产生的静力
作用力的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩。
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局部风——焚风
-0.50C 每100米 ＋10C 每100米 Dew Point -10C 每100米 特点：热、干燥
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局部风——布拉风
-0.50C 每100米
＋10C 每100米 Dew Point -10C 每100米 在某些情况下， 空气下降时加热 不够，则形成布 拉风。

1940年，美国西海岸华盛顿州建成了中央路径为853m，居当 时世界第三位的塔科马悬索桥（Tacoma Bridge），其设计风 速为60m/s。然而四个月后，却在19m/s的风速袭击下，产生 强烈扭曲振动而遭破坏。这次事故再次震惊了桥梁工程界， 经过广泛深入研究，提出了桥梁的风致振动问题。
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幅逐步增大直至使结构破坏的发散性自激振动。
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风工程基本术语

驰振 glloping： 振动的桥梁从气流量不断吸取能量，使非扁平截
面的细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。

涡激共振 vortex resonance：气流绕经钝体结构时产生旋涡脱
落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时，由涡激力所激 发出的结构共振现象。
地球大气层

大气层（atmosphere）:地球表面薄层空气，厚度1000km （1/12地球直径） 对流层（troposphere）:大气层底部1%厚度，厚度 10,000m（飞行高度，最高山峰） 大气边界层（ABL）：对流层底部10%，厚度<1000m （梯度风高度，建筑物高度） 地表层（surface layer）:大气边界层底部10%，厚度 100m左右（风速剧烈变化） 粗糙层（roughness layer）:地表层底部10%，厚度10m 左右（地表粗糙元）
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我国是受台风袭击较严重的国家。近些年来，随着大跨 度桥梁的建设，桥梁的风害也时有出现。例如广东南海九江 公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒，砸坏主梁，江西九江长 江公路铁路两用钢拱桥吊杆的涡激共振，上海杨浦斜拉桥缆 索的涡振和雨振使索套损坏等。由于我国大跨度桥梁建设的 飞速发展，桥梁的风害问题必须引起桥梁工程师的足够重视。

风的分类：季风，飓风（台风、气旋），温带气旋，
局部风。
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风的分级
气象学上将风的强弱 按 10min 时距的平均 风速的大小分成13个 等级。右表为常用的 蒲氏风级表（由英国 人F.Beaufort于1805 年拟定）。
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季风
季节性的风 冬季形成大陆高压 夏季形成大陆低压 亚洲受季风影响非常强烈
地球表面
大气层及其空间垂直分布示意图
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自然风记录

风速是脉动的，不是平稳的 8分钟内的平均风速变化不大
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局部风——龙卷风
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。 同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生 气旋的同样过程，形成龙卷核心。
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：

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台风



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强烈的热带气旋，在北半球热带气旋中的气流绕中心呈逆 时针方向旋转，愈靠近热带气旋中心，气压愈低，风力愈 大，其中心却是一片风平浪静的晴空区，即台风眼。 当热带气旋中心附近最大风力小于 8级时称为热带低压，8 和9 级风力的称为热带风暴， 10和 11 级风力的为强热带风 暴，只有中心附近最大风力达到12级的热带气旋才称为台 风。 形成于高温、高湿和其它气象条件适宜的热带洋面。据统 计，除南大西洋外，全球的热带海洋上都有热带气旋生成。
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距 离 103 地 表 高 2 10 度 （ 米 ） 10 1 0
•在边界层内，风速随着高度增加而增加； •紊流和阵风特性也随着高度不断变化； •边界层风场中风具有宽频特性； •在不同高度紊流风具有相似的阵风和频率特性。
粗糙元
粗 糙 层
表 面 层
边 界 层
对 流 层

节段模型试验 sectional model testing：将桥梁结构构件的
代表性节段做成刚性的模型，在风洞中测定其静力三分力或非定常气 动力作用的试验。

全桥气动弹性模型试验 full aeroelastic model testing：
将桥梁结构按一定几何缩尺并满足各种必要的空气动力学相似条件制 成的弹性三维空间模型，在风洞中观测其在均匀流及紊流风场中各种 风致效应的试验。
第六讲 桥梁抗风基础
福州大学土木工程学院
主要内容
风害VS震害
桥梁史话及历史桥梁风毁
风工程基本术语
近地风特性 风对结构的作用
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什么是风？

风是一种自然现象：是由于太阳对地球大气的加热
不均匀而引起的。由于地球表面的地形起伏和各种障碍物 的影响，使靠近地面风的流动发生紊乱，造成风在速度、 方向及其空间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和 随机的。
塔科马桥毁的讨论
该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经验，其抗风压的设计对于60m/s 的风速都是安全的。然而对风致振动却几乎未加考虑。根据当时的技术 条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的 H 型断面。因此，1940 年刚刚建成通车后，每通稍强的风就显示出有风 振的趋势，但在头4个月内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约 1.5m后振动就衰减下来。运营几个月之后，随着跨中防止加劲梁和主索 间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作反对称 扭曲运动，在跨度l／4点出现从至的倾斜。发生了扭曲振动约l小时之后， 随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300m长的加劲梁坠入水中。
台风给我国造成的经济损失，上世纪80年代为数十亿元， 90年代为100亿元，去年（2005）已经发展到750亿元

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大跨度桥梁抗风研究发展简述

地震影响的主要是中小桥梁，而风荷载则是大跨度桥梁设 计的首要考虑因素 1759 年 Smeaton 等就提出构造物设计时要考虑风压问题， 开始有了风荷载的概念，但当时对风压的认识是不够的 1879 年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击， 85 跨桁架中的 13跨连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故 1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压 的大小是273kg / m 2 ，此后相当长时间内，人们把风对结构 的作用仍只看成是由风压产成的静力作用
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风工程基本术语

风振控制 wind-induced vibration control：为
避免出现发散性风致振动或过大的限幅振动所采取的气
动措施、结构措施或机械措施。

调质阻尼器 tuned mass damper：由质量块、弹
簧和阻尼元件组成的动力减振装置。
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VF 33m / s ，轻度破坏
1 .6
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VF 33 ~ 49m / s ，中等破坏
相当大破坏 VF 50 ~ 69m / s ，
1 .6 ~ 5 .0
5.1 ~ 16.0
10 ~ 50
51 ~ 160
VF 70 ~ 92m / s ，严重破坏
VF 93 ~ 116m / s ，毁灭性破坏
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台风
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温带气旋
由大尺度气流受山脉阻挡或沿锋面两侧的 气团之间的相互作用而产生 发生于中纬度地区 移动速度一般夏季约为 20km/h ，冬季约为 50km/h。 伴随有强雷暴和龙卷风

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局部风


焚风：空气越过山顶后被迫下沉，绝热压缩使空气温度升 高形成，典型见美国洛矶山脉 布拉风：寒冷区域无法形成焚风，势能转化为动能，形成 强烈阵风，典型见亚得里亚海东北岸 急流效应风：因地形分布导致流线辐合，风速增强，典型 见法国南部罗纳谷地 雷暴：暖湿气流上升过程中大规模降雨，使冷气流下沉， 在地面以壁急流形式形成扩散而成 龙卷风：在强雷暴中形成，所有风中最强的风



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福州大学结构工程研究所 陈晓冬
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由于风而受到损害，早在Tay桥被 风毁之前就多次发生。据记载， 在 1818 年至 1940 年间，至少有 11 座悬索桥毁于暴风。 从目击者所描述的风毁景像中可 以明显感到事故的原因是风引起 的强烈振动。只是人们对这种风 致振动机理还不可能作出科学的 解释，对其危害性认识还不够。
静力扭转力矩作用下，当风速达到临界值时，桥梁主梁扭转变形的附 加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，而出现扭 转角不断增大的失稳现象。


静力横向屈曲 aerostatic lateral buckling：横向
静风荷载值超过桥梁主梁横向屈曲临界荷载值时出现的失稳现象。
颤振 flutter：振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量，振
阵风荷载 gust load：基于阵风风速的风荷载 地表粗糙度 terrain roughness：反映大气边界层中
地表起伏或地物高矮稀密的程度
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风工程基本术语

空气静力系数 aerostatic factor：表征在风的静气动力作用
下，结构断面受力大小的无量纲系数。

静力扭转发散 aerostatic torsional divergence：在风的
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风工程基本术语

基本风速 basic wind speed：开阔平坦地貌条件下，
地面以上10m高度处，100年重现期的10min平均年最大风 速

设计基准风速 design standard wind speed：在
基本风速基础上，考虑局部地表粗糙度影响，桥梁结构或 结构构件基准高度处100年重现期的10min平均年最大风速
特点：冷、干燥
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流 的影响，它被进一步加强。
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气 流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。
破坏十分巨大
16.1 ~ 50.9
51 ~ 160
161 ~ 509
510 ~ 1600
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风害VS震害

热带气旋灾害是最严重的自然灾害，因其发生频率远高于 地震灾害，故其累积损失也高于地震灾害 我国是世界上受热带气旋危害最甚的国家之一


1991年4月底在孟加拉国登陆的热带气旋曾经夺去了 13.9 万人的生命

风攻角 wind attack angle：风的主流方向与水平面
产生的夹角
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风工程基本术语

阵风系数 gust factor：反映时距为1~3s的瞬时风速与
10min平均风速的关系系数
静阵风系数 static gust factor：考虑地表粗糙度、
风荷载加载长度和结构构件离地高度等因素的阵风系数
龙卷核心中的旋转与气旋中 的不同，它的强度足以使龙卷一
直伸展到地面。当发展的涡旋到
达地面高度时，地面气压急剧下 降，地面风速急剧上升，形成龙
卷。
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局部风——龙卷风的等级
F 等级 F0 F1 F2 F3 F4 F5~F12 伴生的破坏 路径长度 L （km） 路径宽度 B （m）