公路桥梁抗风设计规范

摘要:随着我国桥梁工程的不断发展，编制适合我国国情的公路桥梁抗风设计规范迫在眉睫。

介绍了编译的代码中的几个主要问题,包括图基本风速和风压图,风荷载的表达,桥梁的需求动态稳定性试验和风洞试验,等另外,各种大跨度桥梁抗风性对策完成和施工阶段进行了讨论。

关键词:桥梁抗风设计规范
前言
1999年10月，江阴长江大桥正式竣工通车，标志着我国第一座1公里以上的悬索桥，也成为世界上第6个修建1公里以上桥梁的国家。

自20世纪80年代初中国改革开放以来，我国已建成各类斜拉桥100多座，成为世界上斜拉桥数量最多的国家。

如果算上2001年将建成的南京长江第二大桥和福州闽江大桥，我国斜拉桥在世界跨度超过500米的斜拉桥中已经占据了非常重要的地位。

1996年，中国人民交通出版社出版了由同济大学和中国交通大学公路规划设计院联合编写的第一本《公路桥梁抗风设计指南》，该指南近年来被广泛应用于许多公路桥梁的抗风设计中。

在此基础上,由交通部委托,同济大学,预备公路规划和设计研究所,中央气象研究所和西安公路交通大学进行了特殊研究的几个关键问题,为最后的形成奠定了基础为公路桥梁抗风设计代码。

表1列出了这些主题的内容以及经过多次修改提交审批的草案的内容。

本文主要介绍规范编写过程中存在的几个主要问题，包括基本风速的确定、风荷载的表达、桥梁动稳定性试验和风洞试验要求等2、国家基本风速图、风压图
基本风速定义为在桥区开阔平坦的地形条件下，距离地面10米，年均最大风速10min，回收期为100年。

本规范利用1961 - 1995年我国657个基本站的风速资料拟合I极值分布曲线。

参考高度由原来20m高度改变为10m高度，考虑100年回收期得到100年回收期的最大风速值。

针对这一事实有相当数量的气象站在中国,由于近年来城市建设的快速发展,车站环境不能满足开放和通畅的要求,导致风速记录显然受到人为因素的影响,相对较小。

本文根据周边台站的情况，对部分计算结果进行了修正。

同时参照国内其他规范，确定基础风压下限为100年回收期0.35kn/，50年回收期0.30kn/，10年回收期0.20kn/。

基本风速下限值分别为24m / s、22m / s和18m / s。

全国基本风压图和风速图具有以下特点:
1. 东南沿海是中国大陆最大的风压区。

风压等值线大致与海岸平行，风压从海岸向内陆迅速减小。

距海岸50km处风速约为海岸风速的75%，距海岸100km处风速仅为50%左右，这与在该地区产生强风的主要天气系统台风有关。

该地区存在湛江以南至海南沿海、广东沿海和浙江至福建省沿海中部三个特大风压带。

100年回潮期的风压在0.90kn/m2 (38m / s)以上，由于台湾岛台风屏障作用，闽南地区风压减弱。

2. 西北至华北北部和东北中部是我国第二大风压分布区。

该地区的强风主要与西伯利亚冷流引起的强冷空气活动有关，等静压线梯度由北向南减小。

3.青藏高原是一个高风压地区。

这个地区的大风主要是由高海拔引起的。

但是该区域的空气密度较小，所以风速虽然大，但形成的风压相对较小。

这一特征可以从风压图和风速图的对比中体现出来。

4. 云南、贵州高原、长江中游和南部丘陵山区的风压比较小，特别是川中、贵州、湘西和鄂西。

大部分区域风压低于0.4kn/m2 (25m / s)。

5. 台湾与海南岛和南海诸岛是独立的风压区域，台湾是我国风压最大的地区。

经分析，海南岛东海岸的风压可达到175kn / m2 (52m / s)以上;海南岛西、北、东的风压约为0.9kn/m2 (40m / s)，西沙群岛受南海台风影响，100年后风压达到1.80kN/m2 (54m / s)。

南海其他岛屿的风压略小于西沙。

总体而言，新版风压分布图并没有改变原有全国风压分布的总体格局，有的有所减少，有的有所改善，但应该说更加合理。

而且，这次的计算站数量比以往任何一次分析都要多，数据年龄一般都在30-35年，代表了当前的气候背景值。

对于重要的大跨度桥梁，建议在桥址设置临时风速观测站，观测周期不应少于1年。

根据获得的短期风速数据，计算年极端风速，并与附近气象站建立相关性。

3、风荷载
桥是大气边界层中的一个结构。

受地理位置、地形条件、地面粗糙度、距地面(或水面)高度、外部温度变化等诸多因素的影响，作用于桥梁结构上的风荷载随时间和空间的变化而变化。

从工程抗风设计的角度，可将自然风分为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风的
叠加，并分别确定它们对桥梁结构的影响。

对于桥梁结构而言，风荷载一般由三部分组成:一是平均风的作用;二是脉动风的本底效应;三是脉动风引起的结构抖振引起的惯性力，是脉动风谱与结构频率相似部分的共振响应。

本规范结合了平均风作用和脉动风的背景效应。

总响应与平均风响应的比值称为等效静阵风系数GV，该系数与地面粗糙度、离地面(或水面)高度和水平荷载长度有关。

为了了解新规范中关于风荷载的规定，我们列出了国内外规范中关于风荷载的规定，以供参考。

1. 1987年设计规范对设计侧风压的定义为:
该公式只考虑平均风的静力作用，不考虑脉动风的背景响应和结构振动惯性力的影响。

2. 日本公路桥抗风设计简介适用于跨度小于200米的桥梁。

设计风速和设计风荷载定义如下:
式中:空气密度;E1为高度与表面粗糙度的修正系数;CD为桥面阻力系数;an为桥梁沿风向投影面积;g = 1,9为阵风响应系数，为常数。

上式中引入了阵风响应系数来反映风的湍流分量的影响，但没有考虑风的空间相关性，因此可以适用小平200跨径的桥梁。

3.在日本《本州四国抗风设计指南》中，大跨度桥梁的设计风速和设计风荷载表示为:
其中，极值1为高度修正系数;式2为水平长度阵风修正系数;pm4为动力效应风荷载修正系数;其他参数的含义与上面相同。

该公式反映
了由于考虑了风的水平相关性，风荷载的脉动效应随跨长增加而减小的效应。

4. 英国BS5400规范也采用了等效静阵风荷载的概念。

以设计风速为最大阵风风速，风速和设计风荷载表示为:
式中:K1为回归周期系数;S1为谷交叉系数;S2为阵风系数，考虑了水平长度的缩减。

5. 在抗风规范中，沿桥面风向的风荷载分别处理作用在桥墩(塔)、主缆和斜拉索上的风荷载和作用在主梁上的风荷载。

除主梁外，作用于桥梁各构件单位长度上的风荷载可根据各构件不同参考高度l的等效静阵风荷载计算如下:
作用在主梁上的横向风荷载除应考虑等效静阵风荷载外，还应考虑由抖振响应引起的惯性荷载。

侧向力可按下式计算:
式中:pH为横向力(n / M);ch为主梁轴下的横向力系数;D为主梁高度m, PD为抖振引起的结构惯性动风荷载;当桥梁跨度小于200m时，可忽略由抖振引起的结构惯性动风荷载;对于跨度大于200m的桥梁，若判定其对风的动风作用较为敏感，则需通过风洞试验获得必要的参数，然后通过抖振分析得到结构的惯性动风荷载。

对于跨度小于200米的桥梁，可以考虑竖向弯矩和扭转弯矩。

200米以上桥梁，特别是悬臂施工的大跨度桥梁，其竖向力和扭转力矩应通过风洞试验和详细抖振响应分析得到。