桥梁风荷载计算_公规院
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∞
2
0
(4)
主梁上总的风压的峰值
Pt 0 max = P + g ⋅ σ p
(5)
主梁上总风压的静阵风风压系数
GP = Pt 0 max P = 1+ g ⋅
σp
P
(6)
静阵风风速系数
GV = 1 + g ⋅ σ p / P
(7)
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》中桥梁风荷载的特点
静阵风风速是通过作用在桥梁主梁上的总的脉动风压推导得出的单一 参数，便于工程应用。但是，假定脉动风的背景作用与平均风作用取用 相同的加载模式，对脉动风的背景作用的空间相关性考虑的不够充分。 静阵风风速仅考虑了脉动风的背景作用，没有考虑结构惯性动力作用。 进行横桥向抗风分析时，还需通过抖振分析考虑结构的惯性动力作用。 静阵风风速仅针对横桥向和顺桥向风荷载。对于竖向风荷载和扭转力 矩，结构惯性动力作用占主导地位，需要通过风洞试验和详细的抖振响 应分析得到。 当风荷载参与汽车荷载组合时，限定了桥面高度处的风速(25 m/s)。
2005-12-1
4座大跨径悬索桥的阵风响应系数
阵风响应系数 桥梁名称 主跨跨径 (m)
《公路桥梁抗 风设计规范》 《公路桥涵设 计通用规范》 设计取值
日本明石海峡大桥
1991 1624 1377 1088
1.35~1.44 1.35 1.40 1.81
1.90 1.90 1.90 2.89
1.55 1.64 1.90 2.0
2005-12-1
风速时程曲线
结构加速度响应时程曲线
2005-12-1
结构加速度响应的功率谱密度 (L.D. Zhu, 2002)
2005-12-1
风荷载的组成
(A.G. Davenport 1998)
静力风荷载：引起结构静力响应的风荷载，即平 均风作用； 动力风荷载：引起结构动力响应的风荷载，可分 解为两个部分：背景分量 ＋ 共振分量
γ
g =
γVd2
2g
Awh 《设计通用规范》
1 γ ⋅ ⋅ k0 k3Vd2 ⋅ k1 ⋅ Awh 2 g
(
)
0.012017 ×1000 −0.0001Z e = 1.225e −0.0001Z (kg / m 3 ) = ρ 9.81
2 2 2
~ Vg
~2 k k V = (k5 ) ( k0 k3 k 2V10 ) = (k5 ⋅ VZ ) = Vg
2005-12-1
蒲氏风速分级
风速等级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 名称 无风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风 风速(m/s) 0.0~0.2 0.3~1.5 1.6~3.3 3.4~5.4 5.5~7.9 8.0~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 >32.6 路面地面物象 静，烟直上 烟示方向 感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 摧毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁重大 摧毁极大
2005-12-1
《公路桥涵设计通用规范》 4.3.7 风荷载
横桥向风荷载
Fwh = k0 k1k3Wd Awh
(4.3.7-1)
k0 — 设计风速重现期换算系数
k1 — 风载阻力系数
k3 — 地形、地理条件系数
Awh — 横向迎风面积
2005-12-1
Wd =
γVd2
2g
— 设计基准风压(kN/m2 ) — 基准高度
2005-12-1
GV
4.3 主梁上的静阵风荷载
4.3.1 单位长度上的横向静阵风荷载可按下式计算：
FH = 1 ρVg2C H H 2
(4.3.1)
式中 FH — 主梁单位长度上的静阵风荷载（N/m)；
ρ — 空气密度（kg/m3）,取为1.25；
CH H
— 主梁的阻力系数； — 主梁的投影高度(m)。
~ rR
r
~ rB
2005-12-1
桥梁风荷载的组成
(A.G. Davenport 1998)
升力
阻力
力矩
2005-12-1
2.不同桥梁设计规范中关于风荷载的规定
目前桥梁设计执行规范 1.《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004) 2.《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2 0 3 d
— 阵风风速：平均时距为1～3s 时的风速。 — 基准高度 Z 处的风速（m/s)
2005-12-1
VZ
《公路桥涵设计通用规范》中桥梁风荷载的特点
通过阵风风速（平均时距为1～3s 时的风速）计算风荷载，没有考虑 结构的动力特性以及由于结构运动引起的气弹效应，对于刚度较大的小 跨径桥梁是合适的。对于大跨径桥梁，结构在风荷载作用下将发生强烈 振动，进行风荷载计算时应细致地考虑结构的动力特性、由于结构运动 引起的气弹效应和脉动风速的空间相关性。 阵风风速仅针对横桥向和顺桥向风荷载。没有考虑竖向风荷载和扭 转力矩作用，对于大跨径桥梁具有较大的局限性。 当风荷载参与汽车荷载组合时，选用的是设计基准风速，没有限定 桥面高度处的风速(25 m/s)。这种组合方式在工程实际中可能不会发生， 尤其是跨越长江、海湾或峡谷的大跨径桥梁。
丹麦大贝尔特桥
香港青马大桥
坝陵河大桥
2005-12-1
日本明石海峡大桥实测的阵风响应系数
T. Miyata et al. (2002)
2005-12-1
Gustave Eiffel
埃菲尔铁塔，高320m, 1887
自由女神像，高100m，1886
2005-12-1
以前桥梁抗风设计试行指南 3.《公路桥梁抗风设Biblioteka Baidu指南》(1996)
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》 4.1 一般规定
4.1.1 作用在桥梁上的风荷载由平均风作用、脉动风的背景 作用以及结构惯性动力作用叠加而成。风的静力作用的风 荷载可按静阵风荷载计算。 4.1.2 风荷载参与永久作用或其它可变作用的作用效应组合 按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60 的规定执行。 4.1.3 当风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速
2005-12-1
静阵风系数的确定
主梁单位长度上的风压
P ( x, t ) = 1 2P ρC H B(V + v( x, t )) 2 ≈ P + v ( x, t ) 2 V
(1)
主梁上总的风压
2P Pt 0 = ∫ P ( x, t )dx ≈ P + ∫ v( x, t )dx =P + P (t ) 0 0 V
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计指南》中桥梁风荷载的特点
桥梁设计风荷载：由静力风荷载和动力风荷载两部分组 成。两部分内力应分别计算，然后叠加。其计算结果应同 阵风荷载产生的内力值进行比较，并取较大者作为设计验 算内力参与荷载组合。 考虑了横桥向风荷载、竖向风荷载和扭转力矩，但没有 考虑顺桥向风荷载。 当风荷载参与汽车荷载组合时，选用的是基准风速，没 有限定桥面高度处的风速(25 m/s)。
2005-12-1
青马大桥主梁示意图
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计指南》(1996) 4.1 一般规定
4.1.2 对于一般较刚性的桥梁，可采用基于阵风风速的阵 风荷载作为设计风荷载。 4.1.3 大跨柔性桥梁的主梁和桥塔的设计风荷载一般由静 力风荷载和动力风荷载两部分组成。静力风荷载是指在设 计基准风速下的风荷载，动力风荷载是由风致振动产生的 结构惯性力。两部分内力应分别计算，然后叠加。其计算 结果应同阵风荷载产生的内力值进行比较，并取较大者作 为设计验算内力参与荷载组合。
l l
(2)
主梁上总的脉动风压的功率谱密度函数
2P 2 S P ( n) = J ( n ) S u ( n) V H
2
2
(3)
J H (n) — 水平联合接受函数，反映脉动风速的空间相关性
2005-12-1
脉动风压的均方根
σp = ∫ S P (n)dn
桥梁风荷载计算
报告人： 刘 高 大桥二室
2005-12-1
报告提纲 1.桥梁风荷载的组成部分 2.不同桥梁设计规范中关于风荷载的规定 3.桥梁等效抖振风荷载的研究现状 4.桥梁抖振内力分析方法及算例 5.台风Sam作用下青马大桥抖振分析与验证 6.总结
2005-12-1
1. 桥梁风荷载的组成部分
VZ 可取为25
m/s。
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》
4.2 静阵风风速
4.2.1 静阵风风速可按下式计算：
Vg = GV VZ
(4.2.1)
式中 Vg — 静阵风风速（m/s)；
GV VZ
— 静阵风系数，可按表4.2.1取值； — 基准高度 Z 处的风速（m/s) 。
— 综合考虑了风的空间相关性、不同地表粗糙度、不同桥梁基 准高度的影响。
z
处的阵风风压(kN/m2)
Vd = k 2 k5V10 — 设计基准风速(m/s)
— 基准高度
z
处的阵风风速 (m/s)
k5 — 阵风风速系数 k 2 — 考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度
变化修正系数
2005-12-1
1 FH = ρVg2C H H 2
《抗风设计规范》
Fwh = k0 k1k3Wd Awh = k1k0 k3 =
2
0
(4)
主梁上总的风压的峰值
Pt 0 max = P + g ⋅ σ p
(5)
主梁上总风压的静阵风风压系数
GP = Pt 0 max P = 1+ g ⋅
σp
P
(6)
静阵风风速系数
GV = 1 + g ⋅ σ p / P
(7)
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》中桥梁风荷载的特点
静阵风风速是通过作用在桥梁主梁上的总的脉动风压推导得出的单一 参数，便于工程应用。但是，假定脉动风的背景作用与平均风作用取用 相同的加载模式，对脉动风的背景作用的空间相关性考虑的不够充分。 静阵风风速仅考虑了脉动风的背景作用，没有考虑结构惯性动力作用。 进行横桥向抗风分析时，还需通过抖振分析考虑结构的惯性动力作用。 静阵风风速仅针对横桥向和顺桥向风荷载。对于竖向风荷载和扭转力 矩，结构惯性动力作用占主导地位，需要通过风洞试验和详细的抖振响 应分析得到。 当风荷载参与汽车荷载组合时，限定了桥面高度处的风速(25 m/s)。
2005-12-1
4座大跨径悬索桥的阵风响应系数
阵风响应系数 桥梁名称 主跨跨径 (m)
《公路桥梁抗 风设计规范》 《公路桥涵设 计通用规范》 设计取值
日本明石海峡大桥
1991 1624 1377 1088
1.35~1.44 1.35 1.40 1.81
1.90 1.90 1.90 2.89
1.55 1.64 1.90 2.0
2005-12-1
风速时程曲线
结构加速度响应时程曲线
2005-12-1
结构加速度响应的功率谱密度 (L.D. Zhu, 2002)
2005-12-1
风荷载的组成
(A.G. Davenport 1998)
静力风荷载：引起结构静力响应的风荷载，即平 均风作用； 动力风荷载：引起结构动力响应的风荷载，可分 解为两个部分：背景分量 ＋ 共振分量
γ
g =
γVd2
2g
Awh 《设计通用规范》
1 γ ⋅ ⋅ k0 k3Vd2 ⋅ k1 ⋅ Awh 2 g
(
)
0.012017 ×1000 −0.0001Z e = 1.225e −0.0001Z (kg / m 3 ) = ρ 9.81
2 2 2
~ Vg
~2 k k V = (k5 ) ( k0 k3 k 2V10 ) = (k5 ⋅ VZ ) = Vg
2005-12-1
蒲氏风速分级
风速等级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 名称 无风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风 风速(m/s) 0.0~0.2 0.3~1.5 1.6~3.3 3.4~5.4 5.5~7.9 8.0~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 >32.6 路面地面物象 静，烟直上 烟示方向 感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 摧毁树枝 小损房屋 拔起树木 损毁重大 摧毁极大
2005-12-1
《公路桥涵设计通用规范》 4.3.7 风荷载
横桥向风荷载
Fwh = k0 k1k3Wd Awh
(4.3.7-1)
k0 — 设计风速重现期换算系数
k1 — 风载阻力系数
k3 — 地形、地理条件系数
Awh — 横向迎风面积
2005-12-1
Wd =
γVd2
2g
— 设计基准风压(kN/m2 ) — 基准高度
2005-12-1
GV
4.3 主梁上的静阵风荷载
4.3.1 单位长度上的横向静阵风荷载可按下式计算：
FH = 1 ρVg2C H H 2
(4.3.1)
式中 FH — 主梁单位长度上的静阵风荷载（N/m)；
ρ — 空气密度（kg/m3）,取为1.25；
CH H
— 主梁的阻力系数； — 主梁的投影高度(m)。
~ rR
r
~ rB
2005-12-1
桥梁风荷载的组成
(A.G. Davenport 1998)
升力
阻力
力矩
2005-12-1
2.不同桥梁设计规范中关于风荷载的规定
目前桥梁设计执行规范 1.《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004) 2.《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2 0 3 d
— 阵风风速：平均时距为1～3s 时的风速。 — 基准高度 Z 处的风速（m/s)
2005-12-1
VZ
《公路桥涵设计通用规范》中桥梁风荷载的特点
通过阵风风速（平均时距为1～3s 时的风速）计算风荷载，没有考虑 结构的动力特性以及由于结构运动引起的气弹效应，对于刚度较大的小 跨径桥梁是合适的。对于大跨径桥梁，结构在风荷载作用下将发生强烈 振动，进行风荷载计算时应细致地考虑结构的动力特性、由于结构运动 引起的气弹效应和脉动风速的空间相关性。 阵风风速仅针对横桥向和顺桥向风荷载。没有考虑竖向风荷载和扭 转力矩作用，对于大跨径桥梁具有较大的局限性。 当风荷载参与汽车荷载组合时，选用的是设计基准风速，没有限定 桥面高度处的风速(25 m/s)。这种组合方式在工程实际中可能不会发生， 尤其是跨越长江、海湾或峡谷的大跨径桥梁。
丹麦大贝尔特桥
香港青马大桥
坝陵河大桥
2005-12-1
日本明石海峡大桥实测的阵风响应系数
T. Miyata et al. (2002)
2005-12-1
Gustave Eiffel
埃菲尔铁塔，高320m, 1887
自由女神像，高100m，1886
2005-12-1
以前桥梁抗风设计试行指南 3.《公路桥梁抗风设Biblioteka Baidu指南》(1996)
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》 4.1 一般规定
4.1.1 作用在桥梁上的风荷载由平均风作用、脉动风的背景 作用以及结构惯性动力作用叠加而成。风的静力作用的风 荷载可按静阵风荷载计算。 4.1.2 风荷载参与永久作用或其它可变作用的作用效应组合 按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60 的规定执行。 4.1.3 当风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速
2005-12-1
静阵风系数的确定
主梁单位长度上的风压
P ( x, t ) = 1 2P ρC H B(V + v( x, t )) 2 ≈ P + v ( x, t ) 2 V
(1)
主梁上总的风压
2P Pt 0 = ∫ P ( x, t )dx ≈ P + ∫ v( x, t )dx =P + P (t ) 0 0 V
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计指南》中桥梁风荷载的特点
桥梁设计风荷载：由静力风荷载和动力风荷载两部分组 成。两部分内力应分别计算，然后叠加。其计算结果应同 阵风荷载产生的内力值进行比较，并取较大者作为设计验 算内力参与荷载组合。 考虑了横桥向风荷载、竖向风荷载和扭转力矩，但没有 考虑顺桥向风荷载。 当风荷载参与汽车荷载组合时，选用的是基准风速，没 有限定桥面高度处的风速(25 m/s)。
2005-12-1
青马大桥主梁示意图
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计指南》(1996) 4.1 一般规定
4.1.2 对于一般较刚性的桥梁，可采用基于阵风风速的阵 风荷载作为设计风荷载。 4.1.3 大跨柔性桥梁的主梁和桥塔的设计风荷载一般由静 力风荷载和动力风荷载两部分组成。静力风荷载是指在设 计基准风速下的风荷载，动力风荷载是由风致振动产生的 结构惯性力。两部分内力应分别计算，然后叠加。其计算 结果应同阵风荷载产生的内力值进行比较，并取较大者作 为设计验算内力参与荷载组合。
l l
(2)
主梁上总的脉动风压的功率谱密度函数
2P 2 S P ( n) = J ( n ) S u ( n) V H
2
2
(3)
J H (n) — 水平联合接受函数，反映脉动风速的空间相关性
2005-12-1
脉动风压的均方根
σp = ∫ S P (n)dn
桥梁风荷载计算
报告人： 刘 高 大桥二室
2005-12-1
报告提纲 1.桥梁风荷载的组成部分 2.不同桥梁设计规范中关于风荷载的规定 3.桥梁等效抖振风荷载的研究现状 4.桥梁抖振内力分析方法及算例 5.台风Sam作用下青马大桥抖振分析与验证 6.总结
2005-12-1
1. 桥梁风荷载的组成部分
VZ 可取为25
m/s。
2005-12-1
《公路桥梁抗风设计规范》
4.2 静阵风风速
4.2.1 静阵风风速可按下式计算：
Vg = GV VZ
(4.2.1)
式中 Vg — 静阵风风速（m/s)；
GV VZ
— 静阵风系数，可按表4.2.1取值； — 基准高度 Z 处的风速（m/s) 。
— 综合考虑了风的空间相关性、不同地表粗糙度、不同桥梁基 准高度的影响。
z
处的阵风风压(kN/m2)
Vd = k 2 k5V10 — 设计基准风速(m/s)
— 基准高度
z
处的阵风风速 (m/s)
k5 — 阵风风速系数 k 2 — 考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度
变化修正系数
2005-12-1
1 FH = ρVg2C H H 2
《抗风设计规范》
Fwh = k0 k1k3Wd Awh = k1k0 k3 =