風(fēng)對(duì)橋梁的作用

1、風(fēng)對(duì)橋梁的作用趙會(huì)濤（石家莊鐵道大學(xué)，120147119 石家莊 050043)摘要：隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當(dāng)今橋梁建設(shè)中的主流，也促進(jìn)了風(fēng)對(duì)橋梁的作用的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，在橋梁工程的設(shè)計(jì)中都沒(méi)有充分重視風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)不少因空氣靜、動(dòng)力荷載作用引發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故。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)的特性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用三方面的制約。工程上，常把自然風(fēng)分解為不隨時(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，前者對(duì)橋梁的作用相當(dāng)于靜力荷載，后者則相當(dāng)于動(dòng)力荷載。風(fēng)對(duì)橋梁的作用力分為豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向，通常用風(fēng)洞

2、試驗(yàn)測(cè)得的靜力3分力系數(shù)來(lái)表示。風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用包括抖振、渦振、馳振、顫振等，其中顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。關(guān)鍵詞：風(fēng)靜力；風(fēng)動(dòng)力；大跨度橋；風(fēng)洞試驗(yàn)；減震措施中圖分類號(hào)：TU312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe wind effects on bridgesZhao Huitao(Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang Railway Institute, 120147119 Shijiazhuang 050043)Abstract : With the development of tran

3、sportation, large span bridge girder ( cable-stayed bridge and suspension bridge ) has become the mainstream in bridge beam construction, also promoted the study of wind effects on bridges.Long-term since, in the bridge engineering design did not pay full attention to the wind effects on structures,

4、 History has seen quite a few because of air static, dynamic load caused by the bridge collapse. The wind effects on bridges is a very complicated phenomenon. It has the characteristics of the wind, the structural dynamic characteristics and wind structure interaction between three side constraint.

5、Project, often take the natural wind decomposition for the time-varying mean wind and the change over time of the fluctuating wind part two, the former effects on bridges equivalent static load. The latter phase when in power load. Wind force on bridge is divided into vertical, lateral and torsional

6、 directions in 3, usually with wind tunnel test measured static 3 coefficients to represent. The dynamic effect of wind on bridge including the buffeting, VIV, galloping, flutter, flutter and buffeting is one of the main two kinds of dynamic stability problem. Keywords : Wind force；Wind power；Large

7、span bridge；Wind tunnel test；Shock absorbing measures引 言隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當(dāng)今橋梁建設(shè)中的主流，上海東海大橋建設(shè)已經(jīng)拉開(kāi)了中國(guó)建設(shè)跨海長(zhǎng)橋的序幕；蘇通大橋和上海盧浦大橋給中國(guó)橋梁界沖擊超千米斜拉橋和拱橋的記錄提供了機(jī)會(huì)；上海崇明隧橋工程中的亮點(diǎn)是成功地采用連續(xù)結(jié)合梁以避免鋼箱梁橋面鋪裝的耐作者簡(jiǎn)介：趙會(huì)濤，碩士研究生收稿日期：2015-06-25久性問(wèn)題；而舟山連島工程的西堠門大橋則面臨著抗風(fēng)的難題。1940年秋，美國(guó)塔科馬懸索橋建成4個(gè)月就在19m/s的8級(jí)大風(fēng)下因扭轉(zhuǎn)發(fā)散振動(dòng)(扭轉(zhuǎn)顫振)而坍塌。在

8、為調(diào)查這一事故而收集的橋梁風(fēng)毀資料中，人們還發(fā)現(xiàn)，自1818年起至少已有11座懸索橋遭到風(fēng)毀。塔科馬懸索橋的風(fēng)毀事故引起了橋梁工程界的震驚，也促進(jìn)了風(fēng)對(duì)橋梁作用的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，在橋梁工程的設(shè)計(jì)中都沒(méi)有充分重視風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)不少因空氣靜、動(dòng)力荷載作用引發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故。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)的特性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用三方面的制約。自然風(fēng)是一個(gè)在時(shí)間上隨機(jī)變化，在空間上不均勻分布地量。從強(qiáng)風(fēng)的實(shí)測(cè)時(shí)程來(lái)看，它由周期在10 min以上的長(zhǎng)周期分量和周期僅約幾秒鐘的短周期分量組成。工程上，常把自然風(fēng)分解為不隨時(shí)間變化的平均風(fēng)和隨時(shí)間變化的脈

9、動(dòng)風(fēng)兩部分，前者對(duì)橋梁的作用相當(dāng)于靜力荷載，后者則相當(dāng)于動(dòng)力荷載。一 風(fēng)靜力的影響風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力作用可用靜風(fēng)荷載來(lái)描述，而靜風(fēng)荷載又有靜風(fēng)壓或靜風(fēng)力兩種常用的表示方法。靜風(fēng)壓是指由于風(fēng)的空氣動(dòng)力效應(yīng)引起的、作用在靜止結(jié)構(gòu)表面單位面積上并與結(jié)構(gòu)表面垂直的壓力(正)或吸力(負(fù))，單位為Pa，也即N/m2。如不作特別說(shuō)明，這里所說(shuō)風(fēng)壓均是指由風(fēng)引起的超出無(wú)風(fēng)時(shí)環(huán)境壓力的部分。對(duì)于處在風(fēng)場(chǎng)中的建筑物，不僅其外表面要受到風(fēng)壓的作用，而且由于建筑物不可能完全封閉，因此其內(nèi)表面也會(huì)受到一定的風(fēng)壓作用。而對(duì)于敞開(kāi)式的建筑物結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(如體育場(chǎng)的屋蓋、建筑入口處的雨篷、設(shè)有大面積入口的大型廠房等)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部

10、件的上下表面都將受到較大的風(fēng)壓作用。結(jié)構(gòu)上下或內(nèi)外表面的風(fēng)荷載可能是同向的，也可能是反向的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮它們的綜合作用。對(duì)結(jié)構(gòu)表面一定面積上靜風(fēng)壓進(jìn)行積分就得到靜風(fēng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大因而幾乎不振動(dòng)，或結(jié)構(gòu)雖有輕微振動(dòng)但不顯著影響氣流經(jīng)過(guò)橋梁的繞流形態(tài)，因而不影響氣流對(duì)橋梁的作用力，此時(shí)風(fēng)對(duì)橋梁的作用可以近似看作一種靜力荷載。風(fēng)對(duì)橋梁的作用力可分為豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向，通常用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的靜力3分力系數(shù)來(lái)表示。橋梁在靜力荷載作用下有可能發(fā)生強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題。如現(xiàn)行橋梁規(guī)程中所規(guī)定的那樣，主要考慮橋梁在側(cè)向風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和變形，按此規(guī)律變化的風(fēng)荷載可能引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)狀態(tài)為橫向側(cè)傾失穩(wěn)

11、或扭轉(zhuǎn)發(fā)散。另外對(duì)于升力較大的特大跨度橋梁，則還需要考慮側(cè)向風(fēng)荷載作用下主梁整體的橫向屈曲，其發(fā)生機(jī)制類似于橋梁的側(cè)向整體失穩(wěn)問(wèn)題及在靜力扭矩作用下主梁扭轉(zhuǎn)引起的扭轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩增量超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力矩時(shí)出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。如前所述，大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)行為始終是非線性的，不僅隨著橋梁跨度的增大，結(jié)構(gòu)的幾何非線性會(huì)越來(lái)越顯著而且風(fēng)荷載也隨結(jié)構(gòu)變位而呈現(xiàn)非線性特征。二 風(fēng)動(dòng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響風(fēng)不僅對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力作用，還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力作用，引起高層建筑、各類高塔和煙囪等高聳結(jié)構(gòu)、大跨度纜索承重橋梁、大跨度屋頂或屋蓋、燈柱等許多柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力荷載，甚至引起破壞。結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)在很大程度上依賴于結(jié)

12、構(gòu)的外形、剛度(或柔度)、阻尼和質(zhì)量特性。不同的外形將引起不同的風(fēng)致動(dòng)力荷載。結(jié)構(gòu)剛度越小，柔性越大，則其風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)就越大。結(jié)構(gòu)的阻尼由多種因素產(chǎn)生，如結(jié)構(gòu)材料內(nèi)耗或部件之間的機(jī)械摩擦、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的相互作用、結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量、外部吸能裝置等，結(jié)構(gòu)的阻尼越高，其風(fēng)致振動(dòng)的影響也就越小。風(fēng)致振動(dòng)的減振措施研究一般也是從這四方面著手。除了上述結(jié)構(gòu)本身特性外，結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)與來(lái)風(fēng)的特性有關(guān)，例如，來(lái)風(fēng)的紊流尺度越大、紊流度越高，結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)致響應(yīng)就越大，當(dāng)來(lái)風(fēng)的風(fēng)速脈動(dòng)卓越頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的共振響應(yīng)。然而，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，紊流使風(fēng)的空間相關(guān)性降低，也會(huì)使旋渦脫落的規(guī)律性變差

13、，從而會(huì)減輕渦激共振等某些類型的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)，提高顫振、馳振等的臨界風(fēng)速。此外，由上游結(jié)構(gòu)或自它障礙物對(duì)來(lái)流的干擾會(huì)使來(lái)流風(fēng)速產(chǎn)生顯著的脈動(dòng)，例如，鈍體繞流或圓柱體的旋渦脫落均會(huì)在其下游所產(chǎn)生高紊流度的、具有顯著橫風(fēng)向流動(dòng)的尾流，這種現(xiàn)象稱為氣動(dòng)不穩(wěn)定性。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)，特別是柔性結(jié)構(gòu)遭遇氣動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生突然的振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其繞流形態(tài)和風(fēng)荷載的特性，進(jìn)一步又會(huì)影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。這種結(jié)構(gòu)振動(dòng)和風(fēng)之間的相互作用機(jī)制被稱為氣動(dòng)彈性，而這種現(xiàn)象被稱為氣動(dòng)彈性現(xiàn)象。由于氣動(dòng)彈性效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度越來(lái)越大的現(xiàn)象被稱為氣動(dòng)彈性失穩(wěn)，此時(shí)振動(dòng)系統(tǒng)具有負(fù)阻尼。按照風(fēng)致動(dòng)力荷載性

14、質(zhì)，結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)可分為隨機(jī)振動(dòng)和確定性振動(dòng)，根據(jù)荷載的成因又可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，按振動(dòng)的性質(zhì)又可分為限幅振動(dòng)和發(fā)散振動(dòng)。這里所謂的“自激”是指作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)的動(dòng)力荷載由結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和風(fēng)之間的相互作用所產(chǎn)生，即由氣動(dòng)彈性效應(yīng)產(chǎn)生。大跨度橋梁，尤其是對(duì)風(fēng)較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋，除需要考慮靜風(fēng)荷載的作用之外，還需要考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，其中對(duì)橋梁的動(dòng)穩(wěn)定性研究尤為重要。風(fēng)對(duì)橋的動(dòng)力作用包括抖振、渦激振、馳振、顫振等，其中顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。1顫振顫振是一種發(fā)散性的自激振動(dòng)，也可以理解為一種氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，是最具破壞性的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。處于風(fēng)場(chǎng)中的振動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣流之

15、間存在著強(qiáng)烈的相互作用，即氣彈效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)和氣流之間產(chǎn)生了能量交換。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一值時(shí)，結(jié)構(gòu)將不斷地從氣流中吸取能量來(lái)補(bǔ)充被結(jié)構(gòu)阻尼所消耗的能量。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加而超過(guò)一個(gè)臨界值(即臨界風(fēng)速)時(shí)，結(jié)構(gòu)以振動(dòng)方式從氣流中吸取的能量將大于被結(jié)構(gòu)阻尼所消耗的能量，從而使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)處于負(fù)阻尼的發(fā)散狀態(tài)而發(fā)生顫振。顫振可以分為兩類:一是扭轉(zhuǎn)顫振(Tortionl Flutter)，美國(guó)塔科馬懸索橋即是因?yàn)槠渲髁簽榱骶€性較差的鈍體而發(fā)生這類發(fā)散振動(dòng)而毀壞的；二是彎扭耦合顫振(Heaving Flutter)，常見(jiàn)于流線性較好扁平截面梁情況，其發(fā)生機(jī)制類似于機(jī)翼的古典顫振。發(fā)生顫振的必要條件是：結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)氣

16、動(dòng)力與彈性位移之間有位相差，因而使振動(dòng)的結(jié)構(gòu)有可能從氣流中吸取能量而擴(kuò)大振幅。除了能量輸入外，還必須有一定的相對(duì)氣流速度才能發(fā)生顫振。在速度較低的情況下，結(jié)構(gòu)所吸取的能量會(huì)被阻尼消耗而不發(fā)生顫振，只有在速度超過(guò)某一值時(shí)，才會(huì)發(fā)生顫振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，則結(jié)構(gòu)維持等幅振動(dòng)，與此狀態(tài)對(duì)應(yīng)的速度稱為顫振臨界速度v(簡(jiǎn)稱顫振速度)。當(dāng)氣流速度跨越顫振速度時(shí)，振動(dòng)開(kāi)始發(fā)散。因此，橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)橋梁進(jìn)行顫振分析，確定臨界顫振風(fēng)速和振動(dòng)特性。顫振分析時(shí)，可以采用Scanlan的顫振理論，首先用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，引入運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行三維顫振分析，然后進(jìn)行全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)臨界顫

17、振風(fēng)速和振動(dòng)特性進(jìn)行驗(yàn)證。2抖振抖振(Buffeting)是一種由于來(lái)流中的紊流或風(fēng)速脈動(dòng)引起的隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)，任何處于自然風(fēng)場(chǎng)中的柔性結(jié)構(gòu)物都不可避免地發(fā)生或大或小的抖振。由于紊流風(fēng)場(chǎng)的隨機(jī)性，因此抖振屬于振動(dòng)的范疇，必須要用隨機(jī)振動(dòng)的方法來(lái)研究。對(duì)抖振的研究表明：隨著橋梁跨度的增大，結(jié)構(gòu)的柔性增加，抖振也會(huì)相應(yīng)增大；且隨著風(fēng)速的增大，抖振相應(yīng)振幅及結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)成倍增大。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)速較高跨度較大的各式橋梁，尤其對(duì)于大跨度斜拉橋和懸索橋，抗風(fēng)設(shè)計(jì)中必須對(duì)抖振響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。和其他風(fēng)致振動(dòng)一樣，也必須注意橋梁在施工階段的抖振問(wèn)題，且對(duì)于采用懸臂法施工的斜拉橋或連續(xù)剛構(gòu)橋，其施工最大的雙懸臂階段通

18、常是一最不利狀態(tài)。此時(shí)主梁易于發(fā)生豎擺振動(dòng)(主梁像剛體一樣繞塔軸或墩在水平面內(nèi)移動(dòng))，且抖振響應(yīng)較成橋狀態(tài)的要大得多，可能稱為這類橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的控制性因素。3渦激振渦激振是一種具有強(qiáng)迫和自激雙重特性的自限幅風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，由于氣流繞經(jīng)結(jié)構(gòu)表面時(shí)所產(chǎn)生的以某一固定時(shí)間間隔有規(guī)律地脫落的旋渦引起。當(dāng)氣流繞過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)兩側(cè)背后尾流中產(chǎn)生交替脫落的旋渦，使結(jié)構(gòu)表面的壓力產(chǎn)生周期性的變化，從而在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生周期性的橫風(fēng)向、順風(fēng)向、靜作用力和靜扭矩，即渦激力。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一個(gè)適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，渦激力或力矩的頻率接近于結(jié)構(gòu)的某一固有頻率，從而激發(fā)結(jié)構(gòu)的渦激共振。一旦結(jié)構(gòu)開(kāi)始共振，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度會(huì)顯著增大，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)

19、與氣流之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，即氣彈效應(yīng)。這種效應(yīng)會(huì)使旋渦脫落頻率被結(jié)構(gòu)機(jī)械頻率所控制，并被“鎖定”在結(jié)構(gòu)的固有頻率附近，即在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)渦脫頻率不再隨風(fēng)速而變化，這就是所謂的渦激共振鎖定現(xiàn)象。 渦激振(vortex-induced)是一種較低風(fēng)速下發(fā)生的有限振幅振動(dòng)；只在某一風(fēng)速區(qū)間內(nèi)發(fā)生；最大振幅對(duì)阻尼有很大的依賴性；渦激響應(yīng)對(duì)斷面形狀的微小變化很敏感；渦激振動(dòng)可以激起彎曲振動(dòng)，也可以激起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。渦激振動(dòng)有以下抑振措施：結(jié)構(gòu)措施：增加結(jié)構(gòu)的剛度即提高結(jié)構(gòu)的固有頻率能相應(yīng)地提高渦激共振的臨界風(fēng)速；另一方面，在相同的條件下，增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量能減小結(jié)構(gòu)渦激共振的振幅，但通常質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致

20、頻率的下降，從而使得渦激共振臨界風(fēng)速相應(yīng)降低，此外頻率下降也會(huì)導(dǎo)致橋梁斷面顫振性能的惡化。氣動(dòng)措施：由于渦激響應(yīng)有對(duì)氣動(dòng)外形十分敏感的特點(diǎn)，因此可以通過(guò)設(shè)置或調(diào)整橋梁的附屬結(jié)構(gòu)以改善其抗渦振性能。由于氣動(dòng)措施的機(jī)理目前尚不清楚，因此只能依靠風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD計(jì)算來(lái)確定各種氣動(dòng)措施對(duì)渦激響應(yīng)的影響。此外，在調(diào)整橋梁斷面的氣動(dòng)外形時(shí)，通常要綜合考慮對(duì)其他風(fēng)致振動(dòng)如顫振的影響，避免降低渦激響應(yīng)的同時(shí)放大其他風(fēng)致振動(dòng)。氣動(dòng)措施主要有平板隔流、增加風(fēng)嘴、增設(shè)導(dǎo)流板以及調(diào)整檢修軌道等輔助設(shè)施位置。阻尼措施：渦激振動(dòng)對(duì)阻尼相當(dāng)敏感，阻尼的增加不但可縮短風(fēng)速鎖定區(qū)，而且會(huì)明顯降低渦振振幅，因此增加結(jié)構(gòu)的阻尼可以

21、有效地抑制渦振。阻尼措施其力學(xué)機(jī)理清楚，不與其他風(fēng)振響應(yīng)矛盾，但與氣動(dòng)措施相比，阻尼措施造價(jià)昂貴且不便于維護(hù)。目前用于橋梁主梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的阻尼器主要有調(diào)質(zhì)阻尼器與調(diào)液阻尼器。4拉索的風(fēng)致振動(dòng)隨著斜拉橋跨徑的增大,斜拉索的風(fēng)致振動(dòng)也越來(lái)越引起橋梁工程界的廣泛關(guān)注。斜拉索風(fēng)振不僅由于振動(dòng)產(chǎn)生交變應(yīng)力,引起斜拉索疲勞損傷,而且會(huì)使拉索根部的鋼護(hù)管產(chǎn)生疲勞破壞,護(hù)管封口松動(dòng),導(dǎo)致錨頭等處積水,加速拉索腐蝕,最終大大縮短斜拉索使用壽命。拉索風(fēng)致振動(dòng)的機(jī)理很多,現(xiàn)認(rèn)識(shí)到的有以下幾種。(1)渦激振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)流經(jīng)圓形的拉索時(shí),在其尾流中將出現(xiàn)交替脫落的旋渦。當(dāng)拉索的卡門脫落的頻率接近索橫風(fēng)向振動(dòng)的某階固有頻率

22、時(shí),將激起拉索該階頻率的橫風(fēng)向振動(dòng)。由于拉索的基頻較低,相應(yīng)的渦振風(fēng)速也小。一般觀察到的都是3階以上的渦激共振。(2)尾流弛振。當(dāng)拉索在來(lái)流風(fēng)方向前后排列時(shí),在前排拉索的尾流區(qū)形成一個(gè)不穩(wěn)定弛振區(qū),由于前后拉索的固有頻率相近,如果后排拉索位于弛振區(qū)內(nèi)其振幅就會(huì)不斷加大,直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)大振幅的極限環(huán)。(3)參數(shù)共振。當(dāng)橋面的振動(dòng)頗率和拉索的局部橫向振動(dòng)頻率接近倍數(shù)關(guān)系時(shí),橋面的微小振動(dòng)會(huì)激發(fā)大振幅的低階拉索振動(dòng)。(4)結(jié)冰索的弛振。索表面結(jié)冰而形成弛振不穩(wěn)定氣動(dòng)外形,引發(fā)拉索弛振,它與結(jié)冰電纜的弛振機(jī)理相同。(5)風(fēng)雨振。伴隨著降雨,在某種風(fēng)向風(fēng)的作用下雨水沿斜拉索下流時(shí)的水道改變了拉索原來(lái)的

23、截面形狀,從圓形異化為類似于結(jié)冰電纜的三角形,這種使拉索成為空氣動(dòng)力不穩(wěn)定的形狀,在一定的臨界風(fēng)速下激發(fā)出類似結(jié)冰電纜的弛振,這種振動(dòng)稱為雨振。三 有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題1橋梁斷面顫振導(dǎo)數(shù)識(shí)別研究橋梁風(fēng)致振動(dòng)中的顫振及顫振導(dǎo)數(shù)概念源于飛行器的氣動(dòng)彈性力學(xué)。有關(guān)的理論及試驗(yàn)技術(shù)，在航空界已是非常成熟。但是，由于橋梁斷面不像機(jī)翼那樣總是一面迎風(fēng)，而是上下游都可能迎風(fēng)，因而不可能制成機(jī)翼形狀的完全流線型截面。因荷載與施工方法不同，橋梁斷面形狀變化大，有桁梁、箱梁、開(kāi)口邊主梁等多種形狀。有些截面已是完全的鈍體。由于上述原因，橋梁截面的顫振導(dǎo)數(shù)識(shí)別問(wèn)題，仍有許多問(wèn)題有待研究和解釋，例如，顫振導(dǎo)數(shù)識(shí)別結(jié)果呈

24、現(xiàn)較大的波動(dòng)性，試驗(yàn)重復(fù)性也不好等等。用顫振導(dǎo)數(shù)表示氣動(dòng)自激力的基本假定是氣動(dòng)自激力是顫振導(dǎo)數(shù)的線性函數(shù)。通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)在小幅振動(dòng)下，鈍體橋梁截面的氣動(dòng)自激力也已呈現(xiàn)非常明顯的非線性性質(zhì)。對(duì)這樣的截面，用一個(gè)顫振導(dǎo)數(shù)的線性函數(shù)去逼近真實(shí)的氣動(dòng)力，自然有本質(zhì)上的困難，容易導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果的不穩(wěn)定以及不同識(shí)別方法之間的顯著差別。橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)別仍是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。2橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別試驗(yàn)研究橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納試驗(yàn)研究識(shí)別仍是一個(gè)十分難的課題，而且氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別對(duì)于分析橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)又十分重要。目前是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)

25、納是反映橋梁結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速與作用于其上的抖振力之間關(guān)系的函數(shù)，受橋梁斷面形狀、氣流分離以及來(lái)流脈動(dòng)等因素的影響，同時(shí)如果從風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)氣動(dòng)導(dǎo)納，則還與模型自身的振動(dòng)頻率有關(guān)。3橋梁斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)試驗(yàn)研究橋梁斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)參數(shù)影響十分重要，并受到許多研究者的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外的研究表明，近流線型閉口扁平箱形斷面的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果受到雷諾數(shù)效應(yīng)的影響。Normandy橋三種比例模型測(cè)力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)效應(yīng)使得三種比例模型的三分力系數(shù)曲線不重合。A.Larsen和G.Schewe等人證實(shí)了雷諾數(shù)效應(yīng)Great Belt East Bridge引橋風(fēng)洞試驗(yàn)與實(shí)橋施工時(shí)的渦振發(fā)生風(fēng)速Sr

26、ouhal數(shù)不一致的主要原因。Y.Kubo研究H 型斷面以及日Ikara橋斷面的Strouhal數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Strouhal數(shù)對(duì)雷諾數(shù)依賴性是明顯的。同濟(jì)大學(xué)李加武、林志興、項(xiàng)海帆等人在對(duì)近流線型斷面的系列研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是近流線型還是鈍體斷面都存在雷諾數(shù)效應(yīng)，不同形狀斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)的規(guī)律是不同的。因此，雷諾數(shù)效應(yīng)應(yīng)在大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中是需要考慮的。4橋梁斷面氣動(dòng)參數(shù)的不確定性試驗(yàn)研究橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要目的是確保橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全，而影響橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的諸多因素具有不確定性。而其中，關(guān)于風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的不確定性主要可以從結(jié)構(gòu)的三分力系數(shù)、斯托羅哈數(shù)以及氣動(dòng)數(shù)幾個(gè)方面來(lái)考慮。對(duì)

27、于大跨徑橋梁而言，主梁三分了系數(shù)、橋塔阻力系數(shù)以及主纜阻力系數(shù)對(duì)橋梁的安全性具有重要的影響，影響橋梁與其他結(jié)構(gòu)空氣力系數(shù)的因素范圍和設(shè)計(jì)面較廣，與結(jié)構(gòu)的型體、姿態(tài)、氣流和構(gòu)造物的狀態(tài)。對(duì)于比較寬、具有流線型的橋梁斷面，氣流在斷面迎風(fēng)側(cè)發(fā)生分離后還可以再附現(xiàn)象，因而導(dǎo)致主梁三分力系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)十分敏感。影響橋梁三分力系數(shù)測(cè)試精度的主要因素有：端部效應(yīng)、表面粗糙度以及紊流度。通過(guò)采用不同幾何縮尺比模型試驗(yàn)來(lái)研究這些因素對(duì)主梁斷面三分力系數(shù)的影響，研究顯示三分力系數(shù)的變異系數(shù)為0.05。盡管目前結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)發(fā)展十分迅速，但對(duì)于氣動(dòng)參數(shù)的變異性研究還是不多。關(guān)于氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的變異性葛耀君教授進(jìn)行了研究，從氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量方法入手，將氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的誤差分為三個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)變量來(lái)描述，即試驗(yàn)誤差、模擬誤差和流場(chǎng)誤差。試驗(yàn)誤差是指由同一座橋在相同的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)反復(fù)試驗(yàn)以及同一座橋在不同的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)試驗(yàn)得到的。葛耀君教授針對(duì)不同流場(chǎng)、不同頻率和不同風(fēng)速對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，得到了30個(gè)試驗(yàn)樣本；研究顯示氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的試驗(yàn)誤差變異系數(shù)為0.05-0.15；在對(duì)試驗(yàn)?zāi)M誤差變異系數(shù)為0.05；氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的模擬誤差主要是由于紊流所引起的，美國(guó)學(xué)者Y.K.Li