浅谈风荷载对桥梁结构的影响

浅谈风荷载对桥梁结构的影响

121210104 罗余双

摘要：风荷载是桥梁结构设计需要考虑的重要内容之一。本文先分析了风荷载的静力作用和动力作用对桥梁结构的影响，然后考虑桥梁结构进行抗风设计的主要影响因素，并给出了桥梁结构抗风设计的主要流程。

关键词：桥梁、风荷载、抗风设计

The Impact of Wind Load on the Bridge Structure

121210104 Luo Yushuang

Abstract:Wind load is one of the important contents of the bridge structure design needs to

consider.At first,this paper analyzes the static effect and dynamic wind load effect on the influence of the bridge structure, and then it considers main influencing factors of wind resistance design of bridge structure, giving the bridge structure wind resistance design of the main process.

Key words:Bridge、Wind load、Wind-resistance design

一、风荷载对桥梁结构影响研究的必要性

桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉，造成75人死亡的惨剧。但直到1940年，美国华盛顿新建成的Tacoma Narrows悬索桥，在不到20 m/s 的风速作用下发生了强烈的振动并导致破坏（见图1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。现代桥梁抗风研究自此开始。

众所周知，桥梁是一种在风荷载作用下容易产生变形和振动的柔性结构，而且桥梁一般修建在江河、海峡等风速较大的区域。故此，抗风设计是桥梁结构设计的重要内容之一。

为避免此类惨剧就必须要把风荷载对桥梁结构的影响降到最低，而有效抵抗和预防风荷载对桥梁结构的影响的一大前提，就是清楚的把握风荷载对桥梁结构的影响。

图1 被风摧毁的Tacoma Narrows悬索桥

二、风荷载在桥梁上的作用效应

1.风对桥梁作用的现象及作用机制：

风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。

从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象和机制见表1。

表1

假定在平均风速的作用下，结构保持静止不动或者其振动不影响空气力，此时的定常(不随时间变化)反应称为风的静力作用。

2.1 桥梁结构对风的静力作用的响应

当气流以恒定不变的流速和方向绕过假定为固定不动的桥梁时，就形成了一个定常的流场。这样，空气对桥梁表面的动压力的合力——空气的作用力也是定常的。由于桥梁结构是一个水平方向的线状结构，流场可近似地看做是二维的。此时，空气作用力可分解成阻力、升力和升力矩3个分量，如图2所示。

图2 风的静力分解图

从图2可以看出，桥梁结构在风的静力作用下有可能发生主要由阻力引起的侧向风压荷载，有时也要考虑升力影响的强度问题，或产生可能由升力矩作用下引起的扭转发散，或出现在阻力作用下侧倾失稳（水平面内的弯曲导致水平面的弯扭失稳）的稳定问题。因此，在桥梁的抗风设计中，需验算结构(特别是施工阶段的不利状态)在静风力作用下的安全性。

2.2 风的静力作用分析

阻力、升力和升力矩的计算式分别为：

阻力：

升力：

升力矩：

式中：为气流的动压；A 为桥梁的迎风投影面积；B 为桥宽（桥梁顺风向的水平投影长度）；、、分别是各空气力分量的静力系数。

空气静力系数与结构的风致振动也有密切关系，其斜率将决定与速度成正比的空气阻尼力的正负，由此即可判断截面的气动稳定性。桥梁断面的静力系数与截面形状、来流方向以及雷诺数有关。在桥梁结构中，除了圆形截面外，大部分非流线形截面都带有明显的棱角，气流的分离点基本上是固定的，即可以认为不会随风速而变化。

因此，雷诺数的影响可以忽略不计。通常，阻力、升力和升力矩3 个分力的静力系数应通过风洞实验测得。

3. 风对桥梁结构的动力作用

为充分验证风荷载的静力作用及脉动风对桥梁的动力作用，对某大跨度桥梁分别施加平均风速为20 m/s 的静风及脉动风，将所得到的桥梁跨中节点位移时程曲线对比情况列于图3。由图4中的曲线可以看出，桥梁的竖向位移主要由施加的竖向车辆荷载引起，风荷载对其影响很小; 桥梁受到静风荷载作用后横向位移急剧增加，而且偏向风荷载的方向; 再施加脉动风荷载后，横向位移再次加剧，且呈现波动趋势，说明相对于竖向位移，桥梁的横向位移更容易受到风荷载的影响。

图3 风荷载对桥梁结构的荷载效应

三、桥梁的抗风设计

1.桥梁抗风设计的目的

首先在于保证结构在施工阶段和建成后的营运阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载的静力作用和由于风致振动引起的动力作用。因此，首先应掌握架桥地点的风特性，决定桥梁的设计风速，并据此推算风对桥梁的作用，校核抗风安全性，如果有可能出现有害的振动或变形，就应考虑适当的防止对策或进行设计变更。

2.抗风设计中的重要因素有：

（1）风特性参数应通过调查和收集气象资料掌握桥址处的风特性，并采用正确的方法确定合理的参数供抗风设计使用。特别要注意桥址处特殊的地形、地貌和风向条件，以便