风雨共同作用下大跨悬索桥加劲梁抖振响应分析
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天气 往往伴 随着降雨 的 出现 ，暴 雨更是 台风的 主要 特征 。 目前针 对风雨 共 同作用 的研究 主要集 中于斜 拉 桥拉 索 的风 雨振 Ｅ ６ ］ ，而很 少涉及 降雨 对悬 索桥 整 体 的抖 振响应 的影 响 。
同作 用对 大跨悬索 桥加劲 梁抖 振 响应 的影 响 。
中 图 分 类 号 ：Ｕ４ ４ ８ ． ２ ５ 文 献标 识码 ：Ａ
随着 悬索 桥跨度 的增 大 ，结 构趋 于轻柔 ，阻 尼
与桥 面运 动的耦合 ，推 导降雨 的单 元 冲击 荷载及 阻
尼模 型 ，并 以东海 某大跨 度悬 索桥 为例研究 风雨 共
减小 ，对风的作用更加敏感 ，风作用下桥梁结构的 安全 性 已成 为 人们 极 为关 注 的重 要 问题 ＿ １ ］ 。大 风
响 ，探讨 了 降雨 对 颤 振 的影 响ｌ ８ ］ 。Ｎ． Ｋｉ ｋ ｕ ｃ ｈ ｉ 、李
宏男 等分别 采 用风洞实 验 和理论分 析方 法探讨 了输 电塔 体 系的风雨 激励 响 应＿ ＿ ９ 。吴 小 平 探讨 了低层
房屋 墙面 的风雨 荷载 效应口 。 然 而 以上 的分析 实 际都是将 降雨影 响 简单考 虑
第３ ４ 卷， 第６ 期 ２ ０ １ ３年 １ １月
文 章编 号 ：ｌ Ｏ Ｏ ｌ 一 ４ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ６ — ０ ０ ３ ０ — ０ ６
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ｎ Ａ ＲＡＩ Ｉ Ｗ ＡＹ ＳＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ６
项目 （ ＣＱ Ｓ Ｌ Ｂ Ｆ － Ｙ１ ３ — ７ ）
作者简介 ： 胡
俊 （ １ ９ ８ ４ 一） ，男 ，河南信阳人 ，讲师 ，博士 。
第 ６期
风雨共同作用下大跨悬索桥加劲梁抖振响应分析 作 用 面积 。
（ ６ ） 由于雨滴 的质 量较 大 ，惯 性也 较 大 ，因此 不考 虑 短周期 的 风速脉 动可 能造 成 的雨 滴 速度 的脉 动成 分 ，即假 定雨 滴 的垂直 降落 速度及 水平 速度 均
１ 风雨 激 励 下 的桥梁 动力 响应 方 程
１ ． １ 风 雨激 励的基本 假定
顾明在风洞实验室中探讨了降雨对平板模型气
动 导数 的影 响 ，结 果表 明风雨 共 同作 用下 平板结 构 的气动 导数 明显不 同于仅 有风 作用 的结果 ＿ ７ ］ 。引起
了研 究人员 对 风雨 共 同作用 的重视 。辛 大波讨论 了
为一 个静 力荷 载 ，没有涉 及雨滴 作用 与结构 运动 之 问的耦 合 。降雨对 悬索桥 的抖振 响应究 竟造 成多 大 影 响 ，其影 响机理 如何 ，是一个 值得 探讨 的问题 。
（ ４ ）雨 滴对结 构表 面 的冲击作用 是连续 的 ； （ ５ ）不 考虑 雨滴 附着在结 构表 面时 可能对 断面
１ １ ６ ０ ２ ４ ）
４ ０ ０ ０ ７ ４ ；
要：基于降雨的基本特性 ，得 到雨滴对桥梁断面的作用力 ，并将其 分解为 降雨 冲击 荷载和降雨 阻尼力 ；
结合形 函数建立降雨 的单元 冲击荷载及单 元 阻尼矩阵 ，进 而得 到考虑 降雨影 响的大跨 度悬索 桥动力 响应方程 。 以东海某大跨度悬索桥为对 象进 行风雨 共 同作用 下大 跨度悬 索桥 加劲 梁抖振 响应 分析 。结 果表 明 ，在大 暴雨
为匀 速 。 １ ． ２ 降雨对 桥 梁的作 用模 型
由此 ，在 图 １所示 的坐标 系下 ，考虑 桥梁 断面
做横向 Ｙ 、竖向 及扭转 ０ 运动时，则降雨作用可
表 达 为
基于上诉假定 ，推导风雨共 同作用下降雨对桥
梁 结构 产生 的作 ຫໍສະໝຸດ Baidu 。 对 悬索 桥而 言 ，加劲 梁是 主要 受风构 件 ，因此
（ ２ ）雨滴的水分没有蒸发到空气 中，运动中的 雨 滴视 为球状 且尺 寸 、温 度 、黏 度 、密度等 物理参
数 在雨滴 运 动 中保 持不变 ； （ ３ ）雨 滴与结 构表面撞 击 后 ，雨 滴全部 黏 附在
结构表 面 ，不 考 虑 呵能 发 生 的雨 滴 弹跳 和 飞 溅 等
现象 ；
（ 强）作 用下 ，主跨跨 中的顺风 向及竖向位移均值 分别增大了 １ ６ ． ２ ４ 和４ ． ８ １ ，说 明在强风雨共 同作用下雨滴 对结构的顺 风向冲击起 主要作用 ；降雨产生的阻尼作用对 结构响应 有一定 的积极影 响，降雨 的附加 阻尼作用使 主跨 跨中的顺 风向、竖 向和扭转位移响应的均方差 值分别 降低 了 ７ ． ３ ８ ，２ ． ２ ８ 和 ５ ． ５ ７ 。 关键词 ：悬索桥 ；大跨度 ；加劲 梁 ；风雨作用 ；抖振 ；时程分析
风雨 对结构 的共 同作用 是一个 复杂 的 问题 ，根 据 降雨 的特点 ，在进 行风雨 激励 下结构 抖振 响应分 析 中做如 下基本 假定 ： （ １ ）风夹 杂着雨 滴作 用在结构 上 ，结构 风场不
因为有雨 滴 的存在 而发生 改变 ；
桥梁 颤振 临界点 时雨 流对节 段振 动系统 的机械 能影
本文基于降雨的基本特性 ，同时考虑雨滴作用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ０ ；修订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ９ — ０ ８
的气动性能造成影响 ；
九七三”计划项 目 （ ２ ０ １ ２ Ｃ Ｂ ７ ２ ３ ３ ０ ５ ） ；山区桥 梁与隧道工程 国家重点实验室培育基地 （ 重庆交通大学 ）开放基金资助 基金项 目： 国家 “
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ３
风 雨 共 同作 用 下 大 跨悬 索桥 加劲 梁 抖 振 响应 分 析
胡 俊 ，欧进 萍。
４ ０ ０ ０ ７ ４ ； （ １ ＿重庆交通大学 土木建筑学 院 ，重庆 ３ ．大连理工大学 土木工程学院 ，辽宁 大连 摘
２ ．重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程 国家重点实验室培育基地 ，重庆
同作 用对 大跨悬索 桥加劲 梁抖 振 响应 的影 响 。
中 图 分 类 号 ：Ｕ４ ４ ８ ． ２ ５ 文 献标 识码 ：Ａ
随着 悬索 桥跨度 的增 大 ，结 构趋 于轻柔 ，阻 尼
与桥 面运 动的耦合 ，推 导降雨 的单 元 冲击 荷载及 阻
尼模 型 ，并 以东海 某大跨 度悬 索桥 为例研究 风雨 共
减小 ，对风的作用更加敏感 ，风作用下桥梁结构的 安全 性 已成 为 人们 极 为关 注 的重 要 问题 ＿ １ ］ 。大 风
响 ，探讨 了 降雨 对 颤 振 的影 响ｌ ８ ］ 。Ｎ． Ｋｉ ｋ ｕ ｃ ｈ ｉ 、李
宏男 等分别 采 用风洞实 验 和理论分 析方 法探讨 了输 电塔 体 系的风雨 激励 响 应＿ ＿ ９ 。吴 小 平 探讨 了低层
房屋 墙面 的风雨 荷载 效应口 。 然 而 以上 的分析 实 际都是将 降雨影 响 简单考 虑
第３ ４ 卷， 第６ 期 ２ ０ １ ３年 １ １月
文 章编 号 ：ｌ Ｏ Ｏ ｌ 一 ４ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ６ — ０ ０ ３ ０ — ０ ６
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ｎ Ａ ＲＡＩ Ｉ Ｗ ＡＹ ＳＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ６
项目 （ ＣＱ Ｓ Ｌ Ｂ Ｆ － Ｙ１ ３ — ７ ）
作者简介 ： 胡
俊 （ １ ９ ８ ４ 一） ，男 ，河南信阳人 ，讲师 ，博士 。
第 ６期
风雨共同作用下大跨悬索桥加劲梁抖振响应分析 作 用 面积 。
（ ６ ） 由于雨滴 的质 量较 大 ，惯 性也 较 大 ，因此 不考 虑 短周期 的 风速脉 动可 能造 成 的雨 滴 速度 的脉 动成 分 ，即假 定雨 滴 的垂直 降落 速度及 水平 速度 均
１ 风雨 激 励 下 的桥梁 动力 响应 方 程
１ ． １ 风 雨激 励的基本 假定
顾明在风洞实验室中探讨了降雨对平板模型气
动 导数 的影 响 ，结 果表 明风雨 共 同作 用下 平板结 构 的气动 导数 明显不 同于仅 有风 作用 的结果 ＿ ７ ］ 。引起
了研 究人员 对 风雨 共 同作用 的重视 。辛 大波讨论 了
为一 个静 力荷 载 ，没有涉 及雨滴 作用 与结构 运动 之 问的耦 合 。降雨对 悬索桥 的抖振 响应究 竟造 成多 大 影 响 ，其影 响机理 如何 ，是一个 值得 探讨 的问题 。
（ ４ ）雨 滴对结 构表 面 的冲击作用 是连续 的 ； （ ５ ）不 考虑 雨滴 附着在结 构表 面时 可能对 断面
１ １ ６ ０ ２ ４ ）
４ ０ ０ ０ ７ ４ ；
要：基于降雨的基本特性 ，得 到雨滴对桥梁断面的作用力 ，并将其 分解为 降雨 冲击 荷载和降雨 阻尼力 ；
结合形 函数建立降雨 的单元 冲击荷载及单 元 阻尼矩阵 ，进 而得 到考虑 降雨影 响的大跨 度悬索 桥动力 响应方程 。 以东海某大跨度悬索桥为对 象进 行风雨 共 同作用 下大 跨度悬 索桥 加劲 梁抖振 响应 分析 。结 果表 明 ，在大 暴雨
为匀 速 。 １ ． ２ 降雨对 桥 梁的作 用模 型
由此 ，在 图 １所示 的坐标 系下 ，考虑 桥梁 断面
做横向 Ｙ 、竖向 及扭转 ０ 运动时，则降雨作用可
表 达 为
基于上诉假定 ，推导风雨共 同作用下降雨对桥
梁 结构 产生 的作 ຫໍສະໝຸດ Baidu 。 对 悬索 桥而 言 ，加劲 梁是 主要 受风构 件 ，因此
（ ２ ）雨滴的水分没有蒸发到空气 中，运动中的 雨 滴视 为球状 且尺 寸 、温 度 、黏 度 、密度等 物理参
数 在雨滴 运 动 中保 持不变 ； （ ３ ）雨 滴与结 构表面撞 击 后 ，雨 滴全部 黏 附在
结构表 面 ，不 考 虑 呵能 发 生 的雨 滴 弹跳 和 飞 溅 等
现象 ；
（ 强）作 用下 ，主跨跨 中的顺风 向及竖向位移均值 分别增大了 １ ６ ． ２ ４ 和４ ． ８ １ ，说 明在强风雨共 同作用下雨滴 对结构的顺 风向冲击起 主要作用 ；降雨产生的阻尼作用对 结构响应 有一定 的积极影 响，降雨 的附加 阻尼作用使 主跨 跨中的顺 风向、竖 向和扭转位移响应的均方差 值分别 降低 了 ７ ． ３ ８ ，２ ． ２ ８ 和 ５ ． ５ ７ 。 关键词 ：悬索桥 ；大跨度 ；加劲 梁 ；风雨作用 ；抖振 ；时程分析
风雨 对结构 的共 同作用 是一个 复杂 的 问题 ，根 据 降雨 的特点 ，在进 行风雨 激励 下结构 抖振 响应分 析 中做如 下基本 假定 ： （ １ ）风夹 杂着雨 滴作 用在结构 上 ，结构 风场不
因为有雨 滴 的存在 而发生 改变 ；
桥梁 颤振 临界点 时雨 流对节 段振 动系统 的机械 能影
本文基于降雨的基本特性 ，同时考虑雨滴作用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ０ ；修订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ９ — ０ ８
的气动性能造成影响 ；
九七三”计划项 目 （ ２ ０ １ ２ Ｃ Ｂ ７ ２ ３ ３ ０ ５ ） ；山区桥 梁与隧道工程 国家重点实验室培育基地 （ 重庆交通大学 ）开放基金资助 基金项 目： 国家 “
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ３
风 雨 共 同作 用 下 大 跨悬 索桥 加劲 梁 抖 振 响应 分 析
胡 俊 ，欧进 萍。
４ ０ ０ ０ ７ ４ ； （ １ ＿重庆交通大学 土木建筑学 院 ，重庆 ３ ．大连理工大学 土木工程学院 ，辽宁 大连 摘
２ ．重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程 国家重点实验室培育基地 ，重庆