淺談風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響

1、淺談風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響121210104 羅余雙摘要：風(fēng)荷載是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重要內(nèi)容之一。本文先分析了風(fēng)荷載的靜力作用和動(dòng)力作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，然后考慮橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要影響因素，并給出了橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要流程。關(guān)鍵詞：橋梁、風(fēng)荷載、抗風(fēng)設(shè)計(jì)The Impact of Wind Load on the Bridge Structure121210104 Luo YushuangAbstract:Wind load is one of the important contents of the bridge structure design needs to consi

2、der.At first,this paper analyzes the static effect and dynamic wind load effect on the influence of the bridge structure, and then it considers main influencing factors of wind resistance design of bridge structure, giving the bridge structure wind resistance design of the main process.Key words:Bri

3、dge、Wind load、Wind-resistance design1、 風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響研究的必要性 橋梁的風(fēng)毀事故最早可以追溯到1818年，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋首先因風(fēng)的作用而遭到毀壞。之后，英國(guó)的Tay橋因未考慮風(fēng)的靜力作用垮掉，造成75人死亡的慘劇。但直到1940年，美國(guó)華盛頓新建成的Tacoma Narrows懸索橋，在不到20 m/s 的風(fēng)速作用下發(fā)生了強(qiáng)烈的振動(dòng)并導(dǎo)致破壞（見圖1），才使工程界注意到橋梁風(fēng)致振動(dòng)的重要性?，F(xiàn)代橋梁抗風(fēng)研究自此開始。眾所周知，橋梁是一種在風(fēng)荷載作用下容易產(chǎn)生變形和振動(dòng)的柔性結(jié)構(gòu)，而且橋梁一般修建在江河、海峽等風(fēng)速較大的區(qū)域。

4、故此，抗風(fēng)設(shè)計(jì)是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為避免此類慘劇就必須要把風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響降到最低，而有效抵抗和預(yù)防風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響的一大前提，就是清楚的把握風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。 圖1 被風(fēng)摧毀的Tacoma Narrows懸索橋二、風(fēng)荷載在橋梁上的作用效應(yīng) 1.風(fēng)對(duì)橋梁作用的現(xiàn)象及作用機(jī)制：風(fēng)對(duì)橋梁的作用是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它受到風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能以及風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用三方面的制約。由于地表的起伏和各種建筑物的影響，使得近地風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向及其空間分布都是非定常的（即隨時(shí)間變化的）和隨機(jī)的。當(dāng)這種帶有脈動(dòng)成份的風(fēng)繞過非流線形截面的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋渦和流動(dòng)分離，形成復(fù)雜

5、的空氣作用力。這種作用力可能引起橋梁的振動(dòng)，而橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又將引起流場(chǎng)的改變，這種相互作用的機(jī)制使得問題更加復(fù)雜。從工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)角度，可以把自然風(fēng)分解成不隨時(shí)間變化的平均風(fēng)和隨時(shí)間變化的脈動(dòng)風(fēng)兩部分的疊加，分別考慮它們對(duì)橋梁的作用，即靜力作用和動(dòng)力作用兩種作用的現(xiàn)象和機(jī)制見表1。表1分類現(xiàn)象作用機(jī)制靜力作用靜風(fēng)載引起的內(nèi)力和變形平均風(fēng)的靜風(fēng)壓產(chǎn)生的阻力、升力和力矩作用靜力不穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)發(fā)散靜（扭轉(zhuǎn)）力矩作用橫向屈曲靜阻力作用 動(dòng)力作用抖振（紊流風(fēng)響應(yīng)）限幅振動(dòng)紊流風(fēng)作用自激振動(dòng)渦振旋渦脫落引起的渦激力作用馳振單自由度發(fā)散振動(dòng)自激力的氣動(dòng)負(fù)阻尼效應(yīng)阻尼驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)顫振古典耦合顫振二自由度自激力的氣動(dòng)剛

6、度驅(qū)動(dòng)2.風(fēng)的靜力作用假定在平均風(fēng)速的作用下，結(jié)構(gòu)保持靜止不動(dòng)或者其振動(dòng)不影響空氣力，此時(shí)的定常(不隨時(shí)間變化)反應(yīng)稱為風(fēng)的靜力作用。2.1 橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的靜力作用的響應(yīng)當(dāng)氣流以恒定不變的流速和方向繞過假定為固定不動(dòng)的橋梁時(shí)，就形成了一個(gè)定常的流場(chǎng)。這樣，空氣對(duì)橋梁表面的動(dòng)壓力的合力空氣的作用力也是定常的。由于橋梁結(jié)構(gòu)是一個(gè)水平方向的線狀結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)可近似地看做是二維的。此時(shí)，空氣作用力可分解成阻力、升力和升力矩3個(gè)分量，如圖2所示。 圖2 風(fēng)的靜力分解圖從圖2可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)的靜力作用下有可能發(fā)生主要由阻力引起的側(cè)向風(fēng)壓荷載，有時(shí)也要考慮升力影響的強(qiáng)度問題，或產(chǎn)生可能由升力矩作用下引起的

7、扭轉(zhuǎn)發(fā)散，或出現(xiàn)在阻力作用下側(cè)傾失穩(wěn)（水平面內(nèi)的彎曲導(dǎo)致水平面的彎扭失穩(wěn)）的穩(wěn)定問題。因此，在橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)(特別是施工階段的不利狀態(tài))在靜風(fēng)力作用下的安全性。2.2 風(fēng)的靜力作用分析阻力、升力和升力矩的計(jì)算式分別為：阻力： 升力： 升力矩： 式中： 為氣流的動(dòng)壓；A 為橋梁的迎風(fēng)投影面積；B 為橋?qū)挘蛄喉橈L(fēng)向的水平投影長(zhǎng)度）；、 分別是各空氣力分量的靜力系數(shù)?？諝忪o力系數(shù)與結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)也有密切關(guān)系，其斜率將決定與速度成正比的空氣阻尼力的正負(fù)，由此即可判斷截面的氣動(dòng)穩(wěn)定性。橋梁斷面的靜力系數(shù)與截面形狀、來流方向以及雷諾數(shù)有關(guān)。在橋梁結(jié)構(gòu)中，除了圓形截面外，大部分非流線形截面都

8、帶有明顯的棱角，氣流的分離點(diǎn)基本上是固定的，即可以認(rèn)為不會(huì)隨風(fēng)速而變化。因此，雷諾數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。通常，阻力、升力和升力矩3 個(gè)分力的靜力系數(shù)應(yīng)通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)得。3. 風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用為充分驗(yàn)證風(fēng)荷載的靜力作用及脈動(dòng)風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用，對(duì)某大跨度橋梁分別施加平均風(fēng)速為20 m/s 的靜風(fēng)及脈動(dòng)風(fēng)，將所得到的橋梁跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線對(duì)比情況列于圖3。由圖4中的曲線可以看出，橋梁的豎向位移主要由施加的豎向車輛荷載引起，風(fēng)荷載對(duì)其影響很小; 橋梁受到靜風(fēng)荷載作用后橫向位移急劇增加，而且偏向風(fēng)荷載的方向; 再施加脈動(dòng)風(fēng)荷載后，橫向位移再次加劇，且呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，說明相對(duì)于豎向位移，橋梁的橫向

9、位移更容易受到風(fēng)荷載的影響。 圖3 風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)三、橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)1. 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的目的首先在于保證結(jié)構(gòu)在施工階段和建成后的營(yíng)運(yùn)階段能夠安全承受可能發(fā)生的最大風(fēng)荷載的靜力作用和由于風(fēng)致振動(dòng)引起的動(dòng)力作用。因此，首先應(yīng)掌握架橋地點(diǎn)的風(fēng)特性，決定橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速，并據(jù)此推算風(fēng)對(duì)橋梁的作用，校核抗風(fēng)安全性，如果有可能出現(xiàn)有害的振動(dòng)或變形，就應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)姆乐箤?duì)策或進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。 2.抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的重要因素有：（1）風(fēng)特性參數(shù)應(yīng)通過調(diào)查和收集氣象資料掌握橋址處的風(fēng)特性，并采用正確的方法確定合理的參數(shù)供抗風(fēng)設(shè)計(jì)使用。特別要注意橋址處特殊的地形、地貌和風(fēng)向條件，以便對(duì)常規(guī)的取值進(jìn)行必要的修正。（

10、2）橋梁的動(dòng)力特性需采用合理的力學(xué)模型，并注意邊界支承條件的正確處理。對(duì)計(jì)算結(jié)果要通過與相似橋梁的比較檢驗(yàn)其合理性和可靠性，其中特別是對(duì)于主梁前二階對(duì)稱和反對(duì)稱的豎向彎曲、側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)振型要作出正確的判斷。（3）橋梁風(fēng)荷載、顫振臨界風(fēng)速、抖振響應(yīng)抖振響應(yīng)的正確預(yù)測(cè)主要取決于橋梁的動(dòng)力特性、主梁斷面的氣動(dòng)特性和紊流風(fēng)特性。3.橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的基本過程對(duì)于一般的大橋，初步設(shè)計(jì)階段的抗風(fēng)分析可采用近似的公式對(duì)各方案的靜風(fēng)載內(nèi)力和氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行估算，待方案確定后再通過節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定各種參數(shù)，進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算和風(fēng)振分析。對(duì)于重要橋梁，宜在初步設(shè)計(jì)階段通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)選型，為確定主梁斷面提供依據(jù)。

11、在技術(shù)設(shè)計(jì)階段再對(duì)選定的斷面方案進(jìn)行詳細(xì)的抗風(fēng)驗(yàn)算和風(fēng)振分析，還應(yīng)通過全橋模型的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果予以確認(rèn)。 結(jié)構(gòu)型式動(dòng)力特性截面選擇假定阻力系數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)載陣風(fēng)系數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)速基本風(fēng)速氣象資料重現(xiàn)期假定Th值顫振風(fēng)速估計(jì)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)各類風(fēng)振分析全橋氣彈模型試驗(yàn)三分力試驗(yàn)抗風(fēng)措施抗風(fēng)措施穩(wěn)定性驗(yàn)算靜力抗風(fēng)設(shè)計(jì)算是否要進(jìn)行全模型驗(yàn)算靜力抗風(fēng)驗(yàn)算檢驗(yàn)不安全很安全不安全及格很安全滿意不夠滿意否滿意不夠滿意是及格階段I階段II階段III 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)過程流程圖四、有待進(jìn)一步研究的問題 通過已有研究成果的分析發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)方面有待進(jìn)一步深入研究。1、橋梁斷面的氣動(dòng)參數(shù)橋梁斷面的氣動(dòng)力(力矩)系數(shù),氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)

12、和氣動(dòng)導(dǎo)納是橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)。氣動(dòng)力(力矩)主要用于橋梁的穩(wěn)定性分析,通過節(jié)段模型可以準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。目前,對(duì)流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動(dòng)導(dǎo)納的 Sears函數(shù)來考慮抖振力的非定常效應(yīng),但是,對(duì)于復(fù)雜的橋梁斷面形狀,這種方法會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納的研究亦應(yīng)十分關(guān)注。氣動(dòng)導(dǎo)納的研究工作還有待進(jìn)一步深入,特別是在湍流場(chǎng)中如何準(zhǔn)確建立鈍體的非線性、非定常氣動(dòng)力學(xué)模型。2、 橋梁的拉索振動(dòng)橋梁的拉索振動(dòng)的形式有渦激振動(dòng)、尾流振動(dòng)、參數(shù)共振和斜索雨振等,其中研究的重點(diǎn)應(yīng)該是斜索雨振。國(guó)內(nèi)為對(duì)斜索雨振的機(jī)理進(jìn)行了很多研究,除了用馳振理論解釋外,還有用二次流理論和能量輸入理論來解釋雨

13、振現(xiàn)象。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對(duì)斜索 雨振現(xiàn)象進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),通過測(cè)量雨振斜索上的脈動(dòng)壓力分布來研究影響雨振的因素,并將雨振脈動(dòng)壓力積分得到的非定常氣動(dòng)力模型引入斜索雨振時(shí)的振幅計(jì)算。有關(guān)斜索雨振的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不僅是靜力問題,對(duì)于大跨度柔度橋梁,各類風(fēng)致振動(dòng)更是抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要內(nèi)容。在大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),除理論分析之外,更主要是通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)予以確定和評(píng)價(jià)。最后指出了有關(guān)風(fēng)對(duì)橋梁作用的研究中,需要進(jìn)一步研究橋梁斷面的氣動(dòng)參數(shù)和橋梁拉索振動(dòng)這兩個(gè)問題。參考文獻(xiàn)：1李曙光、蘆杰淺，談結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)A山西建筑, 2007,33( 13) : 72- 73.2項(xiàng)海帆進(jìn)入21 世紀(jì)的橋梁風(fēng)工程研究A 第十屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集C 2001.3程兆君，淺談橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)B，天津城市建設(shè)學(xué)院, ( 2008) 04- 0096- 02.4譚建領(lǐng)、田萬濤、李穎，風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響分析黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2007)03- 0040- 03.52 JTG/ TD60- 01- 2004，公路工程抗風(fēng)計(jì)算規(guī)范S.北京：人民交通出版社，2004.6馬骎、唐洪亮、 王少欽，風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)研究A( 1 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088; 2 北京建筑工程學(xué)院理學(xué)院，