抗风与抗震

1 本课程目的：认识桥梁的风、地震的重要性；了解基本的风、地震引起桥梁振动；中小桥梁的地震问题的应对；大跨桥梁主要风振问题应对措施

中国桥梁工程的问题：1. 中国桥梁工程的新技术2. 工程质量问题3. 桥梁经济问题4. 桥梁美学问题5 管理问题（管理层问题）

2抗风与抗震的必要性1）大跨桥梁的轻柔化2）中小桥梁的刚硬化

3抗风与抗震对于桥梁工程师意义1）意识到不同种类桥梁的潜在问题（长大桥的风，地震，中小桥梁的地震，裂缝，混凝土徐变）2）简单技术问题的理解（风越大，桥梁越危险？内地桥梁不存在风的问题？地震时桥梁不能倒塌？）

4风工程的重要性1）财产损失2）人员伤亡

5风工程研究内容建筑结构风工程；桥梁结构风工程；车辆空气动力学；环境污染与扩散

6风工程研究方法风洞试验，CFD，实地观测

7风工程研究内容1、建筑结构风工程（艾菲尔铁塔）2、桥梁结构风工程（Tay 桥，塔科马桥）3、车辆空气动力学（汽车的外形）4、环境污染与扩散（环境的空气污染物）5、农作物的倒伏6、其他结构物（广告牌，塑料大棚，煤堆帐篷）城市雕塑等

8风洞的分类

风洞：在按一定要求设计的管道内, 产生可控制气流

进行气动力实验的设备

按风速分：极低速低速亚音速跨音速超音速

(<3m/s) (0.4M) (0.8M) (1.2M) (5.0M)

按工作方式分：回流式(闭口式开口式)

直流式(吸入式吹出式)

按工作面积分：试验段当量直径(风工程用风洞)

大型(d>4m) 中型(1.5m

按用途分：气象、环境、建筑(桥梁)、工业(汽车)、航空(航天)

按功能分：普通、压力、低紊流度、低温、全尺寸、大气边界层

9影响风特性主要参数的因素1）大气环境2）地形3）地貌

10如何得到风特性1）实测2）气象资料3）数字模拟

11自然风特性的实验室模拟1被动模拟2主动模拟

13风：是空气相对于地球表面的运动，气象学上将平行于地表的运动叫风

14风的成因（大尺度）大气压差（地球表面不均匀加热）；地球转动（Coriolis force ）；其他（焚风）

15台风：在西北太平洋，称之为台风；飓风：东太平洋，北大西洋一般称之为飓风；尘卷风是由于地面局部增热不均匀而形成的一种特殊的旋转对流运动.在尘卷风形成的过程中，外围空气通过贴近地面的薄层被地面加热后流向中心部位，外围空气的旋转能量在中心部位得到加强形成尘卷风。

16描述风特性的主要参数1）风速2）紊流度3）功率谱4）攻角5）主导风向角6）积分尺度

17主梁涡振的危害疲劳破坏;桥面行车舒适度;诱发失稳破坏（高风速区）

18主梁涡振的特点在低风速区；区间振动；振幅较小；断面形状密切相关；阻尼大小影响产生

19经典颤振（弯扭耦合颤振）竖弯模态和扭转模态相互耦合的弯扭耦合颤振，常发于扁平流线型桥梁断面。

分离流扭转颤振（单自由度扭转颤振，失速颤振）以扭转模态为主的颤振，常发生于

钝体桥梁断面，如槽型、工字型断面。

20影响桥梁颤振的主要因素１. 重要因素扭弯频率比；质量及质量惯矩；结构阻尼；主梁气动外形2. 振型贡献率

21抖振的定义;由风中紊流成份诱发桥梁产生的一种强迫振动。

22频域分析方法的局限性结构为线弹性，系统为时不变（对风敏感结构，通常较柔，其非线性行为不容忽视）；各运动分量间的耦合效应较难考虑；当结构质量中心、转动中心及气动力中心不重合时难以考虑；结构质量特性、刚度特性及气动外形变化时；对于较柔的结构，分析模态较多，工作量较大

23驰振是具有特殊横截面形状的细长结构物发生的典型的不稳定性

振动现象特点1）截面形状为矩形、“D”字形，或一些裹冰输电线的有效截面形状2）垂直气流方向的大幅度振荡（振幅为一至十倍以上横风向截面尺寸）3）振动频率远低于该截面的旋涡脱落频率

24风致振动控制措施1提高、改善抗风能力的措施结构措施：增加结构的总体刚度，如质量、中央扣、辅助索；气动措施：改善桥梁结构的绕流特性，从而减小激振外力，如开敞式桥面、风嘴、中央稳定板、导流板、拉索的表面加工；机械措施：附加阻尼提高气动稳定性或降低风振响应，如阻尼器（调谐式和非调谐式）2主梁选择气动稳定性好的外形；提高颤振稳定性的措施3桥塔和高墩桥塔切角或附加气动装置抑制驰振或涡激共振；气动措施不能满足抗风要求时，可采取阻尼装置或主动控制装置4拉索和吊杆辅助索或联结器；拉索的表面附加凸起、卷缠螺旋线、表面加工或改变断面形状、涂料；设置阻尼装置

25桥梁抗风研究的目的1）提供风荷载计算参数（静力三分力系数，抖振风荷载）2）桥梁断面的选型（初步设计阶段）（虎门桥，大海带）3）桥梁抗风安全（施工图阶段）颤振稳定性；静风失稳特性；驰振稳定性；舒适性（涡振检验，拉索风雨振动）；桥面风环境（行车安全）4）抗风措施极其有效性验证

26需要进行抗风研究桥梁及构件1）钢桥2）大跨径斜拉桥3）大跨径悬索桥4）高墩连续刚构的施工阶段5）斜拉桥的拉索6）系杆拱桥的吊杆7）大跨径桥梁的桥塔（尤其是钢结构）

27基本烈度是指该地区在一百年内能普遍遭受的最大地震烈度。

建筑场地烈度是指在建筑场地范围内，由于地质条件、地形地貌条件及水文地质条件不同而引起对基本烈度的提高或降低。

设计烈度是指抗震设计中实际采用的烈度。它是根据建筑物的重要性，永久性、抗震性及经济性等的需要对基本烈度的调整。

28当震源岩层发生断裂、错动时，岩层所积聚的变形能突然释放，引起剧烈的振动，振动以弹性波的形式从震源向各个方向传播并释放能量。这种波就称为地震波。

29 地震动，也称地面运动，是指由震源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动。地震动是引起桥梁破坏的外因，其作用相当于结构分析中的各种荷载，但与常用的荷载有很大差别，表现在三方面：1）常用荷载以力的形式出现，而地震动则以运动方式出现；2) 常用荷载一般为短期内大小不变的静力，而地震动则是迅速变化的随机振动；3) 常用荷载大多是竖向的，而地震动则是水平、竖向甚至扭转同时作用的。

30地震动三要素振幅；频谱；持续时间

31地震次生灾害是直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡或稳定状态，从而引发出的灾害。主要有：火灾、水灾、毒气泄漏、瘟疫等。其中火灾是次生灾害中最常见、最严重的。

32地震直接灾害（1）地表破坏：地裂缝；滑坡；砂土液化；软土震陷（2）建筑物破坏