桥梁抗风设计

1 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。 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。
2 概述
桥梁一般是交通运输的咽喉，在国民经济中占有极重要的地位，应能经 受各种自然灾害而不轻易使交通中断。风作为一种主要自然灾害，每年都给 人民的生命财产带来巨大损失，作为重要交通设施的桥梁也经常受到风的威 胁甚至危害。人们正是在各种桥梁风毁事故发生后开始重视桥梁结构抗风设 计，并逐渐形成桥梁抗风设计理论。
静（扭转）力矩作用
静阻力作用
抖振（紊流风响应）
动力 作用
自激振动
涡振
驰振
扭转 颤振 古典耦 合颤振
限幅振动
紊流风作用
旋涡脱落引起的涡激 力作用
单自 发 自激力的气动负阻尼 由度 散 效应——阻尼驱动
振
二自 动 自激力的气动刚度驱
由度
动
二、 桥梁抗风设计目的和基本过程
（1）桥梁抗风设计的目的
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。
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 风对桥梁作用的现象及作用机制
分类
现象
作用机制
静力 作用
静风载引起的内力和变形
静力不稳定Байду номын сангаас
扭转发散 横向屈曲
平均风的静风压产生的 阻力、升力和力矩作用
图1 Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片
一、 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。
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。
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。
颤振：是一种危险性自激发散振动，当其达到临界风速时，振动的桥梁通过气 流的反馈作用不断吸取能量从而使振幅逐步增大直至最后使结构破坏。
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。
驰振：对于非圆形的边长比在一定范围内的类似矩形断面的钝体结构及构件， 由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能够从风流中不断吸取能量，当 达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻尼所消耗的能量，形成一种发 散的横风向单自由度弯曲自激振动。
涡激共振：风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构(2时) 都有 可能发生旋涡的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当旋涡脱落频率接近或等 于结构的自振频率时，将由此激发出结构的共振。
抖振：大气中的紊流成分所激起的强迫振动，也称为紊流风响应。抖振是一种 限幅振动，由于它发生频度高，可能会引起结构的疲劳。过大的抖振振幅会引 起人感不适，甚至危及桥上高速行车的安全。
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。
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。
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。
桥梁抗风设计
桥梁动力特性、作用于桥梁上的风荷载的计算及 桥梁动力失稳判断。桥梁动力特性主要涉及桥梁的 自振周期及频率，本章介绍了如何用结构动力学方 法和一些经验公式进行计算。风荷载计算在基准风 压基础上考虑了重现期、结构体型、地形、地理条 件等因素的影响。桥梁动力失稳包括颤振失稳和驰 振失稳，本章介绍失稳机理及如何用运动方程和经 验公式来判断桥梁是否可能发生动力失稳。
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1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。