桥梁抗风设计课件

节段模型试验：将主梁的代表性做成刚性模型，用弹簧悬 挂在支架上形成一个有竖向平动、转动（及侧向）自由度 的振动模型，在风洞中测定风的动力作用。满足相似条件 的节段模型试验可直接测定二维颤振的临界风速，也可识 别出用气动导数表示的非定常动力，是桥梁最重要的风洞 试验之一。
全桥气动弹性模型试验：将全桥按一定几何缩尺制成并满
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
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斜拉桥结构动力特性计算示例 23
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
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空间杆单元
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空间梁单元
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进行结构动力特性分析常用的商业有限元软件
1. ANSYS 2. ALGOR 3. SAP2000 4. ADINA 5. NASTRAN 6. ABAQUS 7. DIANA
对数衰减律
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
足各种必要的空气动力学相似条件的三维弹性模型，在大
型边界层风洞中观测其在均匀流及紊流风场中的各种风致
振动现象，用于考察桥梁从施工期各阶段到成桥的抗风性
能。是研究桥梁风致振动最精确的试验方法。
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风对桥梁的静力作用
一、作用在桥梁结构上的平均风荷载
1. 主梁静力三分力及静力三分力系数
FL
FV
a风
y MZ
VC
2Ka
B2CM' 0
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
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三、横向屈曲
对于单跨简支的悬索桥，可采用以下公式估算横向 屈曲临界风速
Vlb Klb ft B
Klb
3( B )(r )
Hb
1.88CD
4.54 CL' Bc CD H
m ;b B ; r 1 Im ; ft
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悬索桥结构动力特性示例 19
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阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
频率(Hz) 0.0693 0.1419 0.2163 0.2690 0.3954 0.4106 0.4806 0.5020 0.5129 0.5614 0.6437 0.6620 0.7039 0.7045 0.7480 0.7634
FD
1 2
V
2DLC D
式中：D为桥墩、塔柱宽度或拉索外径，其余参数意义
同上。计算桥塔和拉索承受的风荷载时，按风剖面变 化考虑不同高度的风速。由于桥墩、塔柱、拉索截面
较为规则其阻力系数CD可按《公路桥梁抗风设计指南》
取值或通过模型实测
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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。桥面宽为B，则扭转发散的临界风速度为 ：
o
FD
α
x
FH
体轴坐标系和风轴坐标系
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在体轴坐标系下，静力三分力表达为：
阻力 升力 力矩
FH
1 2
V
2
HLC
H
FV
1 2
V
2
BLC
V
M
1 2
V
2 B 2 LC M
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，12 V 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，它们由节段模型试验提供。
b 2
2b b m
fb
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四、桥梁空气静力稳定性的非线性分析
考虑结构的几何非线性及静力三分力随攻角的变化， 采用非线性有限元方法进行分析。该方法可以将横向屈 曲和静力扭转发散一并考虑，是研究桥梁空气静力稳定 性的较为完善的方法。
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桥梁动力特性及其计算分析
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一、 频率、振型及结构阻尼
频率——单位时间内系统简谐振动的次数，常记为f，单位为Hz（次/ 秒）。简谐振动的频率等于周期的倒数。圆频率w2f，单位为（周/ 秒）。 振型——结构以某一频率做箭谐振动时，结构各点相对位移的关系。 阻尼——结构在做有阻尼自由振动时振幅衰减的程度
静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过 主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。
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静力三分试验：采用主梁或桥塔的刚性节段模型，在风洞 中测定平均风绕流的静作用力的三个分量，即阻力、升力 和扭转力矩。无量纲的三分力系数和攻角的关系曲线反映 出断面的基本气动性能，是分析桥梁各种风致振动和静力 稳定的重要参数。
阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风 荷载时应采用时距为1～3s的瞬时（阵风）风速，即由阵风 系数乘以设计基准风速求得。
静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过 某一临界值时，悬吊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，使主梁出现 一种不稳定的扭转发散现象。
设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载。跨度较小、 刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨 度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的动力风荷载作用。
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风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面 产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对 桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高 风速时的平均攻角约在±3°之间。
相关的基本概念
桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的 一些术语介绍如下：
基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处 100年重现期的10min平均年最大风速
设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位 局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均 年最大风速。
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在风轴坐标系下，静力三分力表达为：
阻力 升力 力矩
FD
1 2
V
2 HLCD
FL
1 2
V
2 BLCL
M
1 2ห้องสมุดไป่ตู้
V 2 B 2 LCM
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，12 V 2 为气流的动压。CD、CL、CM分别为主梁的阻力系数、升力
系数、力矩系数。
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2. 桥塔、主缆及拉索上平均风荷载