桥梁风振及其制振措施 PPT
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风振及风振控制-涡振PPT幻灯片课件
范围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。锁定现象增加了结构发
生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
• 涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，
涡激共振振幅可能很大。
• 涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、
成桥后的振动实例
19
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
20
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
21
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小5m 竖向频率 0.125Hz
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
17
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
18
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.1 主梁涡振实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的
生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
• 涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，
涡激共振振幅可能很大。
• 涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、
成桥后的振动实例
19
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
20
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
21
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小5m 竖向频率 0.125Hz
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
17
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
18
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.1 主梁涡振实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的
大跨度桥梁的风致振动现象
充分条件： 必要条件： 驰振临界风速计算公式：
其中CL和CD为升力系数和阻力系数，需要通 过静力三分力风洞试验获得。
涡振
限幅振动 影响使用
常遇风速 需要控制
Stronhal数及“锁定”现象
St
fd U
发生涡激共振的结构 的对旋涡的脱落会产
生一种反馈作用，使
旋涡脱落频率在一定
的风速范围内被“俘
获”或“控制”（保
全桥气弹 模型试验
研究大跨度桥梁运营态和典型施工态的 气动弹性行为，包括颤振临界风速，脉 动风作用下桥梁的抖振响应。
桥位处风 环境试验
通过在风洞中模拟实际桥位处的风环境， 获取桥位风场特性，为桥梁的抗风设计提 供必要的风场参数。
风洞介绍（直流风洞）
进气口
第一试验段
三元收缩段
第二试验段 动力段
第一稳定段
XNJD-1风洞建于1989年，为双试验段的回流风洞。 XNJD-2风洞建于2002年，为斜拉索风雨振专用风洞。 XNJD-3风洞建于2008年，为世界第一大的边界层风洞。
表示脉动风速与抖振力之间的转换函数，称 为气动导纳函数，用来修正桥梁断面周围紊流的 非定常性和不完全相关性。对于不同的桥梁断面， 气动导纳是不同的，需要通过风洞试验测定。
斜拉索风雨振
一定的风速 一定的雨量 一定的拉索
损坏拉索 必须避免
风雨振的减振措施
常规的桥梁风洞试验
主梁节段 测量桥梁断面气动力参数，测量主梁的 模型试验 风致振动，主梁断面的气动选型。
桥梁的自激气动力
运动产生 折算风速 颤振导数
颤振
发散振动 灾难性的
必须避免
桥梁颤振风速的计算公式
Von der Put 公式
其中CL和CD为升力系数和阻力系数，需要通 过静力三分力风洞试验获得。
涡振
限幅振动 影响使用
常遇风速 需要控制
Stronhal数及“锁定”现象
St
fd U
发生涡激共振的结构 的对旋涡的脱落会产
生一种反馈作用，使
旋涡脱落频率在一定
的风速范围内被“俘
获”或“控制”（保
全桥气弹 模型试验
研究大跨度桥梁运营态和典型施工态的 气动弹性行为，包括颤振临界风速，脉 动风作用下桥梁的抖振响应。
桥位处风 环境试验
通过在风洞中模拟实际桥位处的风环境， 获取桥位风场特性，为桥梁的抗风设计提 供必要的风场参数。
风洞介绍（直流风洞）
进气口
第一试验段
三元收缩段
第二试验段 动力段
第一稳定段
XNJD-1风洞建于1989年，为双试验段的回流风洞。 XNJD-2风洞建于2002年，为斜拉索风雨振专用风洞。 XNJD-3风洞建于2008年，为世界第一大的边界层风洞。
表示脉动风速与抖振力之间的转换函数，称 为气动导纳函数，用来修正桥梁断面周围紊流的 非定常性和不完全相关性。对于不同的桥梁断面， 气动导纳是不同的，需要通过风洞试验测定。
斜拉索风雨振
一定的风速 一定的雨量 一定的拉索
损坏拉索 必须避免
风雨振的减振措施
常规的桥梁风洞试验
主梁节段 测量桥梁断面气动力参数，测量主梁的 模型试验 风致振动，主梁断面的气动选型。
桥梁的自激气动力
运动产生 折算风速 颤振导数
颤振
发散振动 灾难性的
必须避免
桥梁颤振风速的计算公式
Von der Put 公式
桥梁风振及其制振措施(PPT,17页)
主梁涡激振动 拉索风雨激振 桥塔涡激振动 主梁随机抖振
驰振 颤振
风振控制措施
颤振控制
驰振控制:
驰振和涡振控制
涡振控制: 提高结构阻尼比
施工时附加TMD、TLD或TLCD阻 尼器
风雨振控制
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
加辅助索，预防拉索风雨振
机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）
TACOMA NARROWS BRIDGE
日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁连 续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50cD），涡激振动振幅只有 5 cm。
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
桥梁风振控制
绝对控制： 主梁风振失稳
尽量控制： 考虑控制：
•桥梁风振及其制振措施
Tacoma Narrows Bridge：位于美国华 盛顿州，1940年建成，三跨连续加劲 梁悬索桥，主跨853m，宽11.9m,加劲 梁为H型板梁，梁高2.45m。 建成4个月后，在18m/s的风速(8级)作 用下，发散振动持续70min。最后，吊 杆断裂，加劲梁坠落河中。 原因：颤振失稳。
斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
俄国伏尔加大桥“蛇形共振”
桥梁抗风概念设计 PPT
• 桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因 此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构 响应。
• 风致振动是研究的重点和难点。 汽车：风阻系数 建筑：风荷载，风致振动（舒适性） 桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易
振动
高跨比： 苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥 3.51/1650=1/470
• 至1950‘年代：建立气动弹性力学基础 Wagner，Theodonson，Sears， • 1960’年代：
桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国） 桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan • 1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计 • 1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度 1991m的明石桥 • 1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国
11.9米，梁高2.4米 • 宽跨比1：72，高跨
比1：350 ！！ • 主梁截面形式：
H型板梁
旧塔科马海峡桥风毁事故
• 原因：扭转颤振－风致自激发散振动 • 教训：桥梁要有空气动力稳定性。 • 途径： （1）主梁良好的气动外形 （2）保证桥梁扭转刚度 （3）风洞试验， （4）建立桥梁抗风理论
发展简史
• 基本思路：
本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效 应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的 和自激的。
• 基本方法：理论分析，风洞试验，CFD
往往需要多种方法的综合应用与相互校核
• 重要假定：条带假定：
等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等
• 主要对策
(4) Buffeting 抖振
• 机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动
• 风致振动是研究的重点和难点。 汽车：风阻系数 建筑：风荷载，风致振动（舒适性） 桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易
振动
高跨比： 苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥 3.51/1650=1/470
• 至1950‘年代：建立气动弹性力学基础 Wagner，Theodonson，Sears， • 1960’年代：
桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国） 桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan • 1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计 • 1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度 1991m的明石桥 • 1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国
11.9米，梁高2.4米 • 宽跨比1：72，高跨
比1：350 ！！ • 主梁截面形式：
H型板梁
旧塔科马海峡桥风毁事故
• 原因：扭转颤振－风致自激发散振动 • 教训：桥梁要有空气动力稳定性。 • 途径： （1）主梁良好的气动外形 （2）保证桥梁扭转刚度 （3）风洞试验， （4）建立桥梁抗风理论
发展简史
• 基本思路：
本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效 应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的 和自激的。
• 基本方法：理论分析，风洞试验，CFD
往往需要多种方法的综合应用与相互校核
• 重要假定：条带假定：
等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等
• 主要对策
(4) Buffeting 抖振
• 机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动
悬索桥梁的风致振动控制与减震
通过附加在结构上的质量块和阻 尼器，吸收和耗散风致振动的能 量。
02
调谐液体阻尼器（ TLD）
利用液体的晃动效应来耗散振动 能量，适用于大跨度桥梁的横向 振动控制。
03
粘弹性阻尼器
通过粘弹性材料的剪切变形来耗 散能量，具有稳定的耗能能力和 良好的耐久性。
主动控制方法
主动质量阻尼器（AMD）
通过实时测量结构响应并主动施加反向振动，以抵消风致振动的 能量。
01
02
03
结构疲劳
长期的风致振动会导致桥 梁结构疲劳损伤，降低结 构的承载能力和使用寿命 。
行车安全
风致振动会影响桥梁的行 车安全，如涡激振动可能 导致桥面晃动，影响行车 稳定性。
结构稳定性
严重的风致振动可能导致 桥梁结构失稳，甚至引发 灾难性后果。
03
风致振动控制方法与技术
被动控制方法
01
调谐质量阻尼器（ TMD）
风力发电装置（WEC）
将风能转化为电能，同时产生反向扭矩以抵消风致振动的能量。
主动拉索控制
通过调整拉索的张力，改变结构的刚度和阻尼特性，从而实现对风 致振动的主动控制。
混合控制方法
1 2 3
主动与被动混合控制
结合主动和被动控制方法的优点，通过主动控制 提高系统的性能，同时利用被动控制保证系统的 稳定性和可靠性。
2 跨海大桥等特殊桥梁的抗风设计
针对跨海大桥、高墩大跨桥梁等特殊桥梁结构，研究有 效的抗风设计方法和控制策略。
3 精细化建模与仿真
发展精细化建模和仿真技术，更准确地模拟桥梁在复杂 风环境下的动力响应，为风致振动控制提供理论支撑。
4 跨学科合作与创新
加强土木工程、力学、材料科学、计算机科学等学科的 交叉融合，推动悬索桥梁风致振动控制与减震技术的创 新发展。
02
调谐液体阻尼器（ TLD）
利用液体的晃动效应来耗散振动 能量，适用于大跨度桥梁的横向 振动控制。
03
粘弹性阻尼器
通过粘弹性材料的剪切变形来耗 散能量，具有稳定的耗能能力和 良好的耐久性。
主动控制方法
主动质量阻尼器（AMD）
通过实时测量结构响应并主动施加反向振动，以抵消风致振动的 能量。
01
02
03
结构疲劳
长期的风致振动会导致桥 梁结构疲劳损伤，降低结 构的承载能力和使用寿命 。
行车安全
风致振动会影响桥梁的行 车安全，如涡激振动可能 导致桥面晃动，影响行车 稳定性。
结构稳定性
严重的风致振动可能导致 桥梁结构失稳，甚至引发 灾难性后果。
03
风致振动控制方法与技术
被动控制方法
01
调谐质量阻尼器（ TMD）
风力发电装置（WEC）
将风能转化为电能，同时产生反向扭矩以抵消风致振动的能量。
主动拉索控制
通过调整拉索的张力，改变结构的刚度和阻尼特性，从而实现对风 致振动的主动控制。
混合控制方法
1 2 3
主动与被动混合控制
结合主动和被动控制方法的优点，通过主动控制 提高系统的性能，同时利用被动控制保证系统的 稳定性和可靠性。
2 跨海大桥等特殊桥梁的抗风设计
针对跨海大桥、高墩大跨桥梁等特殊桥梁结构，研究有 效的抗风设计方法和控制策略。
3 精细化建模与仿真
发展精细化建模和仿真技术，更准确地模拟桥梁在复杂 风环境下的动力响应，为风致振动控制提供理论支撑。
4 跨学科合作与创新
加强土木工程、力学、材料科学、计算机科学等学科的 交叉融合，推动悬索桥梁风致振动控制与减震技术的创 新发展。
桥梁振动与抗震研究热点 ppt课件
0.1
1
5
周期 （秒）
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
弹塑性动力反应分析
背 景： 规范的变更、性能设计、市场竞争
政府导向： 今后，不掌握弹塑性动力反应计算 技术的咨询公司将面临生存危机
涉及范围： 钢筋混凝土结构 混凝土充填钢结构 土的液化、侧方流动 土与基础（包括地下结构）的相互作用
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
1999年土尔其、台湾地震
■西部地区特殊地形和地质条件下的桥梁抗震问题 ■中小地震引起的结构损伤积累
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
本讲座的内容提要
■典型桥梁震害 ■桥梁设计方法与规范 ■弹塑性动力反应分析 ■最新实验设备与技术 ■桥梁加固技术 ■新西兰模式 ■亚太地区其他国家的地震研究
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本运输省港湾技研水中振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本建设省土木研究所混合振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本大林组技研离心机振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁抗震新规范的主要特点：
设计地震力提高
明确安全性能要求
强调结构的整体抗震性能
积极采用弹塑性反应方法 （包括静力法和动力法）
向性能设计过渡 提高透明度、明确责任
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
加速度反应谱（G）
3 2
1
1类场地（硬） 2类场地（中） 3类场地（软） 0.1
RC桥墩的弯剪破坏 制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁风振专题(学习课资)
公开课资
16
桥梁风振概述
公开课资
17
桥梁风振概述
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
公开课资
18
桥梁风振概述
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
公开课资
19
桥梁风振概述 •机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）。怎样达到很好的减 振效果？
公开课资15桥梁源自振概述桥梁风振的减振措施•空气动力学措施
引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥 梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导 流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
公开课资
6
桥梁风振概述 •斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
公开课资
7
桥梁风振概述
桥梁风振的主要形态
公开课资
8
桥梁风振概述
•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
公开课资
9
桥梁风振概述
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
土木工程中的桥梁振动与减振措施
土木工程中的桥梁振动与减振措施桥梁是连接两个相对较远地点的重要交通工具，对于现代社会的发展起到了至关重要的作用。
然而，在桥梁工程中，桥梁振动成为了一个需要重视的问题。
本文将讨论土木工程中的桥梁振动问题，并探讨减振措施的应用。
1. 桥梁振动的原因桥梁振动主要有以下几个原因：1.1 风振：风力是最主要的桥梁振动原因之一。
风的吹拂对桥梁产生水平和垂直方向的力，导致桥梁结构发生振动。
1.2 车辆荷载：车辆通过桥梁时，会产生动态荷载，给桥梁结构带来震动，尤其是大型货车和列车。
1.3 自激振动：桥梁结构自身形态和材料的特性可能导致自激振动，即桥梁材料的自身条件形成共振状态。
2. 桥梁振动的影响桥梁振动对于其结构安全和使用寿命会造成严重影响，具体表现如下：2.1 结构疲劳：频繁的振动会使桥梁结构产生疲劳现象，加速结构的衰退和破坏，从而缩短桥梁的使用寿命。
2.2 车辆安全：桥梁振动过大会影响行驶在桥上的车辆的稳定性和安全性，对行驶中的车辆产生不良影响。
2.3 交通流畅性：桥梁振动过大会影响桥上交通的流畅性，降低桥梁的通行能力。
3. 减振措施的应用为了减小桥梁振动的影响，需要采取相应的减振措施。
以下是常见的减振措施：3.1 荷载控制：合理控制车辆荷载，限制超重运输和减少大型车辆的通行，以减小动态荷载对桥梁结构的影响。
3.2 结构修复：如果桥梁发生了结构破坏，应及时进行维修和修复，以保证桥梁结构的完整性和稳定性。
3.3 振动吸收器：振动吸收器是一种专门用于减小结构振动的装置，一般安装在桥梁主梁上。
其原理是利用阻尼器将振动吸收并耗散掉，从而降低振动幅度。
3.4 阻尼器：阻尼器可通过调节阻尼力来减小桥梁的振动。
常见的阻尼器有液体阻尼器和摩擦阻尼器。
3.5 增加刚度：通过增加桥梁结构的刚度，可以减小桥梁的振动。
这可以通过改变材料、结构形态和横断面来实现。
3.6 风挡板：对于容易受到风振影响的桥梁，可以在桥面两侧增设风挡板，用于减小风对桥梁的影响。
风振及控制6-颤振PPT课件
当结构发生振动时，由于周围的绕流受结构变位的干扰而发生变化，导致 作用在结构上的空气力也随时间发生变化。这种作用力由于是伴随结构振动产生 的，称为自激气动力，它是非定常气动力的主要形式。
（1）Theodorson平板空气力公式
1935年，Th. Theodorson首先从 理论上研究了薄平版的非定常气动 力。他根据流体力学势流理论求得 了作用于振动平板上的非定常气动 力的解析表达式。对于图示二维理 想平板，在均匀水平流场中作微小 振动时所受到的非定常空气升力和 力矩可表达为：
v
C(k)为Theodo函rs数 on， 当用 Bes函 sel数表示时
CkF(k)iG(k)
典型断面颤振导数曲线
典型断面颤振导数曲线
2.3桥梁颤振计算理论的发展
1948年Bleich 第一次用Theodorson 的平板空气公式来解决悬索桥的颤振分析。 他认为在悬索桥中常用的桁架加劲梁的上承桥面接近于一块平板，此时悬索桥的 二维颤振微分方程可以写成：
L2bv2C(k)hv[1C(k)]b2v
M2b2v2C(k)hv[1C(k)]b2v
式中
——空气密度； b——平板的半宽度； v——空气流速； h和分别为截面的竖向和扭转位移；
k b 为折算频率，为圆频率；
1V2B 2
LVC
M12V2B2LCM
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，
1 V 2 2
为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力
系数、力矩系数。
三种典型断面的三分力系数曲线
dCL 0, dCM 0是空气动力稳定 条的 件必 。要
d
d
2.2.2．非定常气动力
2.2作用于桥梁的空气力
（1）Theodorson平板空气力公式
1935年，Th. Theodorson首先从 理论上研究了薄平版的非定常气动 力。他根据流体力学势流理论求得 了作用于振动平板上的非定常气动 力的解析表达式。对于图示二维理 想平板，在均匀水平流场中作微小 振动时所受到的非定常空气升力和 力矩可表达为：
v
C(k)为Theodo函rs数 on， 当用 Bes函 sel数表示时
CkF(k)iG(k)
典型断面颤振导数曲线
典型断面颤振导数曲线
2.3桥梁颤振计算理论的发展
1948年Bleich 第一次用Theodorson 的平板空气公式来解决悬索桥的颤振分析。 他认为在悬索桥中常用的桁架加劲梁的上承桥面接近于一块平板，此时悬索桥的 二维颤振微分方程可以写成：
L2bv2C(k)hv[1C(k)]b2v
M2b2v2C(k)hv[1C(k)]b2v
式中
——空气密度； b——平板的半宽度； v——空气流速； h和分别为截面的竖向和扭转位移；
k b 为折算频率，为圆频率；
1V2B 2
LVC
M12V2B2LCM
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，
1 V 2 2
为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力
系数、力矩系数。
三种典型断面的三分力系数曲线
dCL 0, dCM 0是空气动力稳定 条的 件必 。要
d
d
2.2.2．非定常气动力
2.2作用于桥梁的空气力
桥梁抗震ppt课件
3. 计算等效单自由度{系Fe统rr}的等c c效orr 刚度和等效粘滞阻尼比；
4. 利用反应谱方法计算结构特征力效应和特征位移效应－需求分析；
5. 进行需求/能力比计算，评估结构的抗震性能。
精品课件
32
单振型反应谱法
反应谱的概念
根据D’Alembert原理，单自由度振子的振动方程可以表示为：
上述振动方程的m 解(可g 以y 用) 杜cy 哈美k（ y0 Duhay m e2 l）积y 分公2y式 来g 表示：
抗震设防标准制定原则
桥梁工程的抗震设防标准，即为如何确定“地震荷载”的 标准。荷载定得越大，即抗震设防标准要求越高，桥梁在 使用寿命期间为抗震设防需要投入的费用也越大。然而， 桥梁在使用寿命期间遭遇抗震设防标准所期望的地震总是 少数。这就是决策的矛盾点：一方面要求保证桥梁抗震安 全，另一方面又要适度投入抗震设防的费用，使投入费用 取得最好的效益 。
精品课件
33
单振型反应谱法
反应谱的概念
由于地震加速度是不规则的函数，上述积分公式难以直接求积， 一般要通过数值积分的办法来求得反应的时程曲线。对不同周期和阻 尼比的单自由度体系，在选定的地震加速度输入下，可以获得一系列
的相对位移y、相对速度 y 和绝对加速度 y 的反应时程曲线，并可从
中找到它们的最大值。以不同单自由度体系的周期Ti为横坐标，以不 同阻尼比C为参数．就能绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对 加速度的谱曲线，分别称为相对位移反应谱、拟相对速度反应谱和拟 加速度反应谱(分别可简称为位移反应谱、速度反应谐和加速度反应谱)， 并用符号记为SD、PSV和PSA，这三条反应谱曲线合起来简称为反应谱。
称为动力放大系数，其值可以直接由标准化反应谱曲线确定。上
4. 利用反应谱方法计算结构特征力效应和特征位移效应－需求分析；
5. 进行需求/能力比计算，评估结构的抗震性能。
精品课件
32
单振型反应谱法
反应谱的概念
根据D’Alembert原理，单自由度振子的振动方程可以表示为：
上述振动方程的m 解(可g 以y 用) 杜cy 哈美k（ y0 Duhay m e2 l）积y 分公2y式 来g 表示：
抗震设防标准制定原则
桥梁工程的抗震设防标准，即为如何确定“地震荷载”的 标准。荷载定得越大，即抗震设防标准要求越高，桥梁在 使用寿命期间为抗震设防需要投入的费用也越大。然而， 桥梁在使用寿命期间遭遇抗震设防标准所期望的地震总是 少数。这就是决策的矛盾点：一方面要求保证桥梁抗震安 全，另一方面又要适度投入抗震设防的费用，使投入费用 取得最好的效益 。
精品课件
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单振型反应谱法
反应谱的概念
由于地震加速度是不规则的函数，上述积分公式难以直接求积， 一般要通过数值积分的办法来求得反应的时程曲线。对不同周期和阻 尼比的单自由度体系，在选定的地震加速度输入下，可以获得一系列
的相对位移y、相对速度 y 和绝对加速度 y 的反应时程曲线，并可从
中找到它们的最大值。以不同单自由度体系的周期Ti为横坐标，以不 同阻尼比C为参数．就能绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对 加速度的谱曲线，分别称为相对位移反应谱、拟相对速度反应谱和拟 加速度反应谱(分别可简称为位移反应谱、速度反应谐和加速度反应谱)， 并用符号记为SD、PSV和PSA，这三条反应谱曲线合起来简称为反应谱。
称为动力放大系数，其值可以直接由标准化反应谱曲线确定。上
桥梁风致响应 ppt课件
横风向荷载(cross-wind load) 升力(lift force)
扭矩荷载(torsional moment) 升力矩(pitching moment)
2.2 静风响应
结构(2个水平+1扭转)
位移(2个线位移+1个角位移)
桥梁(水平+竖向+扭转)
风压(局部位置垂直于表面)
结构为主
桥梁较少
中国悬索桥方案 (L=5,000 m)
侧弯： fps0.024H,z fpa0.04H 1 z
竖弯： fhs0.04H8,z fha0.06H 2 z
扭转： fts0.07H 3 z
17
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.4 结构阻尼(Structural damping )
钢 桥:： s0.5% ~1.0% , s2s3.14~6.28 结合合 梁梁 桥： : s1.0% ~1.5% , s2s6.28~9.42 混凝土桥:： s1.5% ~2.5% , s2s9.42~15.71
Lpp2Lp pLpp
D f D h h D h h D h h D D D D p p D p p D p p
D hh2D h hD hhD 2D D
D pp2D p pD pp
M f M h h M h h M h h M M M M p p M p p M p p
刚度较小—动力作用
颤振(flutter) 振幅较大—自激力
驰振(galloping)
5
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1. 桥梁风效应（续）
风荷载及桥梁风效应
荷载分类
荷载效应
作用机理
平均风荷载引起的内力和变形 风压作用下的阻力、升力和升力矩
桥梁颤振理论PPT课件
第33页/共68页
振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1 V-A-1 V-S-2 L-A-1 V-A-2
主塔横摆 主塔横摆
T-S-1 V-S-3 V-A-3 V-S-4 L-S-2 边跨竖向 T-A-1
1 ln x0
n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 ， 2 1 2
第23页/共68页
结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材 料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构 的阻尼比可以取以下经验值：
桥梁种类 钢桥
结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 阻尼比的统计范围
第16页/共68页
a
二、扭转发散
a V
Ka 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数
令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气
动力矩为 ：
Ma
1 2
V
2 B 2C M
a
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
第17页/共68页
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。一系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用， 最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的 风毁事故（图8－1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。
0.005
0.5%~1.0%
0.01
1.0%~1.5%
0.02
2.0%~3.0%
第24页/共68页
二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性
振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1 V-A-1 V-S-2 L-A-1 V-A-2
主塔横摆 主塔横摆
T-S-1 V-S-3 V-A-3 V-S-4 L-S-2 边跨竖向 T-A-1
1 ln x0
n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 ， 2 1 2
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结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材 料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构 的阻尼比可以取以下经验值：
桥梁种类 钢桥
结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 阻尼比的统计范围
第16页/共68页
a
二、扭转发散
a V
Ka 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数
令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气
动力矩为 ：
Ma
1 2
V
2 B 2C M
a
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
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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。一系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用， 最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的 风毁事故（图8－1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。
0.005
0.5%~1.0%
0.01
1.0%~1.5%
0.02
2.0%~3.0%
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二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性
桥梁风致振动-驰振讲解
m y c y ky 0
，
..
.
其中
dCL 1 c c UB CD 2 d
,
上式第一项为结构阻尼系数，第二项为空气动力阻尼系数。 由结构动力学知识，当阻尼系数
c ,>0时系统趋于稳定，c ,<0时趋于不
d
dCL 稳定。因为c通常为正值，所以只要当 <0 C D
2）辅助索刚度对面内制振效果的影响
随着辅助索刚度的增加，暂态主缆的1阶竖弯频率和等效阻尼比均呈增 大的趋势。
3）辅助索个数对面内制振效果的影响
辅助索均采用5mm的钢筋，阻尼系数均取0.01，工况1~3分别对应7 组8等分，9组10等分，11组12等分
随着辅助索数目的增大，暂态主缆的1阶竖弯频率和等效阻尼比均 有增大。
CD
D 1 U 2 HL 2
CL
L 1 U 2 BL 2
CM
M 1 U 2 B 2 L 2
式中：D、L、M分别表示风轴坐标系下断面的阻力、升力和扭矩；空 3 气密度 1225kg / m ；U表示无穷远处来流风速；L、H和B分别表示节段模 型长度、高度和宽度。 参考公路桥梁抗风设计规范主梁静力三分力风洞试验参数的设定，本 文暂态主缆三分力系数数值模拟在均匀流场条件下进行，攻角范围取10°~+10°，攻角变化步长取1°。
5.控制措施
考虑施工可行性，采用在暂态主缆和猫道间用辅助索加以连接来抵抗暂态主 缆的风致驰振失稳。
辅助索是实桥上拉索采用的防止或抑制拉索风致振动的方法之一，是通过增 加拉索的刚度从而提高拉索的振动频率，避免低频率的风致拉索振动。具体 措施是将拉索之间用辅助索相互连接，形成一个索网体系。
5_港珠澳大桥风致振动及制振措施研究
M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0
M0 M0 M0 M0 M0
M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0 M0
图 3 青州航道桥效果图
图 4 青州航道桥成桥态有限元模型
第十六届全国结构风工程会议
2013.7.成都
抗风性能研究的主要内容包括：主梁节段模型风洞试验研究（缩尺比 1:50） 、大尺度主梁节段模型 试验（缩尺比 1:20） 、全桥及典型施工阶段气动弹性模型风洞试验研究（缩尺比 1:70)、裸塔气弹模型试 验（缩尺比 1:80） 、桥塔静力三分力试验（缩尺比 1:20） 、风荷载内力分析、斜拉索参数振动及风雨激 振分析等内容。 研究结果表明， 大桥的颤振临界风速高于对应的检验风速， 大桥具有较好的气动稳定性。 由于采用阻尼比较小的钢箱梁， 因此该桥在常遇风速下的涡激振动特性是重点关注之处。 1:50 节段 模型风洞试验研究结果表明，主梁在来流风速为 18.2m/s 时，在 0°和正攻角条件下发生了大振幅的竖 向涡激振动， 振幅为 668 mm， 超过规范的容许振幅， 在 8m/s 的风速下， 也有较小振幅的涡激振动现象， 且振幅略超过规范允许值，具体结果如图 5 所示。基于对流线型箱梁涡振机理的认识，通过风洞试验发 现梁底检修车的位置对主梁涡振的影响较大。 根据此结果， 将检修车轨道分别设置在底板和斜腹板不同 位置处进行了风洞试验，最后发现在底板检修轨道内侧安装导流板后（如图 6 所示） ，可显著减小涡振 振幅， 并在略小于规范要求的 0.48%的阻尼比下， 主梁在不同风攻角条件下的涡振振幅均满足规范要求， 如图 7 所示。并通过主梁大尺度节段模型涡激振动试验验证了抑振措施的有效性，如图 8 所示。 为了进一步验证大桥的气动稳定性和涡激振动特性，设计了 1:70 的大比例全桥气动弹性模型风洞 试验，并在检修车轨道内侧按照抑制涡振的导流板。试验结果表明，在颤振检验风速范围内，成桥状态 以及典型施工状态的气弹模型在 0°和+3°攻角条件下均未发生主梁颤振失稳现象；在设计风速范围 内，也未在试验中观察到明显的涡激振动现象。
桥梁抗震与加固ppt课件
反应谱法基本原理
2.25
Ⅰ：β=2.25(0.2/T) Ⅱ：β=2.25(0.3/T)0.9 Ⅲ：β=2.25(0.45/T)0.95 Ⅳ：β=2.25(0.7/T) 0.9
0.3
1 2 3 4 5T
图1 场地类别与动力放大系数关系曲线
反应谱法基本原理
2、多质点反应谱
➢（1）振型分解法简介 ➢以无阻尼受迫振动为例，简要介绍振型分解法思想。
反应谱法基本原理
反应谱法基本原理
➢（2）多质点体系的地震力计算公式
➢ 用振型分解法求解，即利用振型分的正交特性，将联立微 分方程组一个个地分解为相互独立的振动方程，将多质点的复杂 振动，分解为按各个振型的独立振动的叠加，在求解过程中，引 入第i振型的振型参与系数：
反应谱法基本原理
➢ 由振型分解法可将多自由度现行震动体系分解为多个独立的广义 单自由度振子。广义单自由度振子的最大反应可由谱曲线查出。但一般 情况下，广义单自由度振子的最大反应不同时发生，因此需要以适当的 方式将它们组合起来。
反应谱法基本原理
➢ 不同的地震输入，得 到不同的反应谱曲线 。
➢ 在大量的地震加速度 记录输入后绘制的众多 反应谱曲线的基础上， 经过平均光滑化后，最 终得到得到平均地震反 应谱。
反应谱法基本原理
➢ 不同的体系阻尼比得到相应的反应谱曲线。
反应谱法基本原理
➢★单质点反应谱的地震力计算
➢应根据结构抗震设防的 烈度水准选用。根据我国 铁路工程抗震规范规定： 设计烈度Ⅶ度以上才进行 抗震设防，相应于Ⅶ，Ⅷ 和Ⅸ度，k分别为0.1、0.2 和0.4。
桥梁震害
2、桥台沦陷
桥梁震害
2、桥台沦陷产生的原因
➢当地震加速度作用时，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当 大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由 于桥面的支撑作用,桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋 转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起 桥台垂直沉陷,最终导致桥梁破坏。
桥梁抗风抗震复习讲义课件
第1振型
第2振型
第3振型
桥墩的水平挠曲固有振型
时间函数 f (t ) 的幅值按照 Aet 逐渐衰减 ，如图
Aet
t
桥梁结构的自 振周期和地震 动卓越（主要） 周期越接近， 它的振型接受 到地震力的影 响越大；而结 构的阻尼比越 小，结构所受 的震害也越大。 分析和认识桥 梁结构的自振 周期、振型和 阻尼比这些动 力特性的重要 意义就在于此。
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
地震强度
场地情况
桥梁震害
桥梁震害
人为错误
结构地震易损性
桥梁震害的四大原因
地基失效 结构强振 引起的破坏 引起的破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
2.3 下部结构和基础的震害
2.3.1 桥梁墩柱的震害 桥梁墩柱的震害
墩柱的弯曲破坏
墩柱的剪切破坏
墩柱的基脚破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第四章 桥梁工程抗震设计
桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的 抗震能力，具体包括以下三个方面 ：
正确选择能够有效地抵抗地震作用的结构形式； 合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等动力参数，以便最大限度
地利用构件和材料的承载和变形能力； 正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其
桥梁抗风抗震复习讲义
1.2.2 烈度
人的感觉 物体反应 结构破坏 自然现象
–侧重点差异
–地震学：地震破坏后果 –抗震：地震作用强弱
–烈度与地震动参数关系
¡ 定义 ¡ 评价指标 ¡ 地震烈度表 ¡ 性质 ¡ 理解分歧 ¡ 影响因素及规律 ¡ 关于取消烈度
地震对地表及工程结构 影响的强弱程度
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•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
桥梁风振控制
绝对控制： 主梁风振及其制振措施
学号：2150086035 姓名：黎志谋 专业：桥梁与隧道工程
Tacoma Narrows Bridge：位于美国华 盛顿州，1940年建成，三跨连续加劲 梁悬索桥，主跨853m，宽11.9m,加劲 梁为H型板梁，梁高2.45m。 建成4个月后，在18m/s的风速(8级)作 用下，发散振动持续70min。最后，吊 杆断裂，加劲梁坠落河中。 原因：颤振失稳。
斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
俄国伏尔加大桥“蛇形共振”
伏尔加河大桥位于俄罗斯伏尔加格勒市，横 跨伏尔加河，2009年建成。当地时间2010年 5月19日晚，伏尔加河大桥突然发生离奇的 “蛇形共振”。 2010年5月19日晚，伏尔加格勒过河大桥桥 面突然呈浪型翻滚，有数十辆车正在桥上行 驶，所幸没有造成人员伤亡。监控镜头记录 下了桥体柔软地上下波动这一罕见画面。伏 尔加河大桥晃动事情发生的时候，大桥路面 突然开始蠕动，类似于波浪型，并发出震耳 欲聋的声音；正在大桥上行驶的车辆在滚动 中跳动。 警方接到报警后，迅速关闭大桥 两侧交通，同时封闭水上通路。专家们也迅 速赶至现场，大桥振动停止后，专家检查了 桥梁各处道路和围栏等，发现桥梁无裂纹， 无损伤。俄罗斯著名桥梁专家阿纳托利表示， 大桥共振现象可能因风波动和负载所共振而 发生。当天伏尔加格勒是多云，强风，由于 154米大桥全部由长板金属制成，金属结构 并不变形。
Bye Bye
桥梁风振及其制振措施
18
TACOMA NARROWS BRIDGE
日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁连 续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50cm。
安装16台可调质量阻尼器 （TMD），涡激振动振幅只有 5 cm。
1、桥梁风振主要形态 2、桥梁风振控制
桥梁风振的主要形态
•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如Tacoma桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
主梁涡激振动 拉索风雨激振 桥塔涡激振动 主梁随机抖振
驰振 颤振
风振控制措施
颤振控制
驰振控制:
驰振和涡振控制
涡振控制: 提高结构阻尼比
施工时附加TMD、TLD或TLCD阻 尼器
风雨振控制
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
加辅助索，预防拉索风雨振
机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
桥梁风振控制
绝对控制： 主梁风振及其制振措施
学号：2150086035 姓名：黎志谋 专业：桥梁与隧道工程
Tacoma Narrows Bridge：位于美国华 盛顿州，1940年建成，三跨连续加劲 梁悬索桥，主跨853m，宽11.9m,加劲 梁为H型板梁，梁高2.45m。 建成4个月后，在18m/s的风速(8级)作 用下，发散振动持续70min。最后，吊 杆断裂，加劲梁坠落河中。 原因：颤振失稳。
斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
俄国伏尔加大桥“蛇形共振”
伏尔加河大桥位于俄罗斯伏尔加格勒市，横 跨伏尔加河，2009年建成。当地时间2010年 5月19日晚，伏尔加河大桥突然发生离奇的 “蛇形共振”。 2010年5月19日晚，伏尔加格勒过河大桥桥 面突然呈浪型翻滚，有数十辆车正在桥上行 驶，所幸没有造成人员伤亡。监控镜头记录 下了桥体柔软地上下波动这一罕见画面。伏 尔加河大桥晃动事情发生的时候，大桥路面 突然开始蠕动，类似于波浪型，并发出震耳 欲聋的声音；正在大桥上行驶的车辆在滚动 中跳动。 警方接到报警后，迅速关闭大桥 两侧交通，同时封闭水上通路。专家们也迅 速赶至现场，大桥振动停止后，专家检查了 桥梁各处道路和围栏等，发现桥梁无裂纹， 无损伤。俄罗斯著名桥梁专家阿纳托利表示， 大桥共振现象可能因风波动和负载所共振而 发生。当天伏尔加格勒是多云，强风，由于 154米大桥全部由长板金属制成，金属结构 并不变形。
Bye Bye
桥梁风振及其制振措施
18
TACOMA NARROWS BRIDGE
日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁连 续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50cm。
安装16台可调质量阻尼器 （TMD），涡激振动振幅只有 5 cm。
1、桥梁风振主要形态 2、桥梁风振控制
桥梁风振的主要形态
•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如Tacoma桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
主梁涡激振动 拉索风雨激振 桥塔涡激振动 主梁随机抖振
驰振 颤振
风振控制措施
颤振控制
驰振控制:
驰振和涡振控制
涡振控制: 提高结构阻尼比
施工时附加TMD、TLD或TLCD阻 尼器
风雨振控制
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
加辅助索，预防拉索风雨振
机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）