風對橋梁的作用

1、風對橋梁的作用趙會濤（石家莊鐵道大學，120147119 石家莊 050043)摘要：隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當今橋梁建設中的主流，也促進了風對橋梁的作用的研究。長期以來，在橋梁工程的設計中都沒有充分重視風對結構的作用。歷史上曾經出現(xiàn)過不少因空氣靜、動力荷載作用引發(fā)的橋梁結構失穩(wěn)事故。風對橋梁的作用是一個十分復雜的現(xiàn)象。它受到風的特性、結構的動力特性和風與結構的相互作用三方面的制約。工程上，常把自然風分解為不隨時間變化的平均風和隨時間變化的脈動風兩部分，前者對橋梁的作用相當于靜力荷載，后者則相當于動力荷載。風對橋梁的作用力分為豎向、橫向和扭轉3個方向，通常用風洞

2、試驗測得的靜力3分力系數(shù)來表示。風對橋梁的動力作用包括抖振、渦振、馳振、顫振等，其中顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動穩(wěn)定性問題。關鍵詞：風靜力；風動力；大跨度橋；風洞試驗；減震措施中圖分類號：TU312 文獻標識碼：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 言隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當今橋梁建設中的主流，上海東海大橋建設已經拉開了中國建設跨海長橋的序幕；蘇通大橋和上海盧浦大橋給中國橋梁界沖擊超千米斜拉橋和拱橋的記錄提供了機會；上海崇明隧橋工程中的亮點是成功地采用連續(xù)結合梁以避免鋼箱梁橋面鋪裝的耐作者簡介：趙會濤，碩士研究生收稿日期：2015-06-25久性問題；而舟山連島工程的西堠門大橋則面臨著抗風的難題。1940年秋，美國塔科馬懸索橋建成4個月就在19m/s的8級大風下因扭轉發(fā)散振動(扭轉顫振)而坍塌。在

8、為調查這一事故而收集的橋梁風毀資料中，人們還發(fā)現(xiàn)，自1818年起至少已有11座懸索橋遭到風毀。塔科馬懸索橋的風毀事故引起了橋梁工程界的震驚，也促進了風對橋梁作用的研究。長期以來，在橋梁工程的設計中都沒有充分重視風對結構的作用。歷史上曾經出現(xiàn)過不少因空氣靜、動力荷載作用引發(fā)的橋梁結構失穩(wěn)事故。風對橋梁的作用是一個十分復雜的現(xiàn)象。它受到風的特性、結構的動力特性和風與結構的相互作用三方面的制約。自然風是一個在時間上隨機變化，在空間上不均勻分布地量。從強風的實測時程來看，它由周期在10 min以上的長周期分量和周期僅約幾秒鐘的短周期分量組成。工程上，常把自然風分解為不隨時間變化的平均風和隨時間變化的脈

9、動風兩部分，前者對橋梁的作用相當于靜力荷載，后者則相當于動力荷載。一 風靜力的影響風對結構的靜力作用可用靜風荷載來描述，而靜風荷載又有靜風壓或靜風力兩種常用的表示方法。靜風壓是指由于風的空氣動力效應引起的、作用在靜止結構表面單位面積上并與結構表面垂直的壓力(正)或吸力(負)，單位為Pa，也即N/m2。如不作特別說明，這里所說風壓均是指由風引起的超出無風時環(huán)境壓力的部分。對于處在風場中的建筑物，不僅其外表面要受到風壓的作用，而且由于建筑物不可能完全封閉，因此其內表面也會受到一定的風壓作用。而對于敞開式的建筑物結構或構件(如體育場的屋蓋、建筑入口處的雨篷、設有大面積入口的大型廠房等)，相應的結構部

10、件的上下表面都將受到較大的風壓作用。結構上下或內外表面的風荷載可能是同向的，也可能是反向的，設計時應考慮它們的綜合作用。對結構表面一定面積上靜風壓進行積分就得到靜風力。當結構剛度較大因而幾乎不振動，或結構雖有輕微振動但不顯著影響氣流經過橋梁的繞流形態(tài)，因而不影響氣流對橋梁的作用力，此時風對橋梁的作用可以近似看作一種靜力荷載。風對橋梁的作用力可分為豎向、橫向和扭轉3個方向，通常用風洞試驗測得的靜力3分力系數(shù)來表示。橋梁在靜力荷載作用下有可能發(fā)生強度、剛度和穩(wěn)定性問題。如現(xiàn)行橋梁規(guī)程中所規(guī)定的那樣，主要考慮橋梁在側向風荷載作用下的應力和變形，按此規(guī)律變化的風荷載可能引起結構的失穩(wěn)狀態(tài)為橫向側傾失穩(wěn)

11、或扭轉發(fā)散。另外對于升力較大的特大跨度橋梁，則還需要考慮側向風荷載作用下主梁整體的橫向屈曲，其發(fā)生機制類似于橋梁的側向整體失穩(wěn)問題及在靜力扭矩作用下主梁扭轉引起的扭轉角所產生的氣動力矩增量超過結構抗力矩時出現(xiàn)的扭轉失穩(wěn)現(xiàn)象。如前所述，大跨度懸索橋的結構行為始終是非線性的，不僅隨著橋梁跨度的增大，結構的幾何非線性會越來越顯著而且風荷載也隨結構變位而呈現(xiàn)非線性特征。二 風動力對橋梁結構的影響風不僅對結構產生靜力作用，還會產生動力作用，引起高層建筑、各類高塔和煙囪等高聳結構、大跨度纜索承重橋梁、大跨度屋頂或屋蓋、燈柱等許多柔性結構的振動，產生動力荷載，甚至引起破壞。結構的風致振動在很大程度上依賴于結

12、構的外形、剛度(或柔度)、阻尼和質量特性。不同的外形將引起不同的風致動力荷載。結構剛度越小，柔性越大，則其風致振動響應就越大。結構的阻尼由多種因素產生，如結構材料內耗或部件之間的機械摩擦、結構和基礎之間的相互作用、結構自身的質量、外部吸能裝置等，結構的阻尼越高，其風致振動的影響也就越小。風致振動的減振措施研究一般也是從這四方面著手。除了上述結構本身特性外，結構的風致振動與來風的特性有關，例如，來風的紊流尺度越大、紊流度越高，結構的隨機風致響應就越大，當來風的風速脈動卓越頻率與結構的固有頻率接近時，將會產生很大的共振響應。然而，對于細長的結構，紊流使風的空間相關性降低，也會使旋渦脫落的規(guī)律性變差

13、，從而會減輕渦激共振等某些類型的風致振動響應，提高顫振、馳振等的臨界風速。此外，由上游結構或自它障礙物對來流的干擾會使來流風速產生顯著的脈動，例如，鈍體繞流或圓柱體的旋渦脫落均會在其下游所產生高紊流度的、具有顯著橫風向流動的尾流，這種現(xiàn)象稱為氣動不穩(wěn)定性。當一個結構，特別是柔性結構遭遇氣動不穩(wěn)定性現(xiàn)象時，就可能會產生突然的振動，結構的振動反過來又會改變其繞流形態(tài)和風荷載的特性，進一步又會影響結構的振動特性。這種結構振動和風之間的相互作用機制被稱為氣動彈性，而這種現(xiàn)象被稱為氣動彈性現(xiàn)象。由于氣動彈性效應使得結構的振動幅度越來越大的現(xiàn)象被稱為氣動彈性失穩(wěn)，此時振動系統(tǒng)具有負阻尼。按照風致動力荷載性

14、質，結構的風致振動可分為隨機振動和確定性振動，根據(jù)荷載的成因又可分為強迫振動和自激振動，按振動的性質又可分為限幅振動和發(fā)散振動。這里所謂的“自激”是指作用在結構上的風的動力荷載由結構運動和風之間的相互作用所產生，即由氣動彈性效應產生。大跨度橋梁，尤其是對風較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋，除需要考慮靜風荷載的作用之外，還需要考慮風對結構的動力作用，其中對橋梁的動穩(wěn)定性研究尤為重要。風對橋的動力作用包括抖振、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穩(wěn)定性問題。1顫振顫振是一種發(fā)散性的自激振動，也可以理解為一種氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，是最具破壞性的一種風致振動現(xiàn)象。處于風場中的振動結構和氣流之

15、間存在著強烈的相互作用，即氣彈效應，使結構和氣流之間產生了能量交換。當風速超過某一值時，結構將不斷地從氣流中吸取能量來補充被結構阻尼所消耗的能量。當風速繼續(xù)增加而超過一個臨界值(即臨界風速)時，結構以振動方式從氣流中吸取的能量將大于被結構阻尼所消耗的能量，從而使結構的振動處于負阻尼的發(fā)散狀態(tài)而發(fā)生顫振。顫振可以分為兩類:一是扭轉顫振(Tortionl Flutter)，美國塔科馬懸索橋即是因為其主梁為流線性較差的鈍體而發(fā)生這類發(fā)散振動而毀壞的；二是彎扭耦合顫振(Heaving Flutter)，常見于流線性較好扁平截面梁情況，其發(fā)生機制類似于機翼的古典顫振。發(fā)生顫振的必要條件是：結構上的瞬時氣

16、動力與彈性位移之間有位相差，因而使振動的結構有可能從氣流中吸取能量而擴大振幅。除了能量輸入外，還必須有一定的相對氣流速度才能發(fā)生顫振。在速度較低的情況下，結構所吸取的能量會被阻尼消耗而不發(fā)生顫振，只有在速度超過某一值時，才會發(fā)生顫振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，則結構維持等幅振動，與此狀態(tài)對應的速度稱為顫振臨界速度v(簡稱顫振速度)。當氣流速度跨越顫振速度時，振動開始發(fā)散。因此，橋梁抗風設計時必須對橋梁進行顫振分析，確定臨界顫振風速和振動特性。顫振分析時，可以采用Scanlan的顫振理論，首先用節(jié)段模型風洞試驗測量氣動導數(shù)，引入運動方程，進行三維顫振分析，然后進行全橋模型風洞試驗，對臨界顫

17、振風速和振動特性進行驗證。2抖振抖振(Buffeting)是一種由于來流中的紊流或風速脈動引起的隨機強迫振動，任何處于自然風場中的柔性結構物都不可避免地發(fā)生或大或小的抖振。由于紊流風場的隨機性，因此抖振屬于振動的范疇，必須要用隨機振動的方法來研究。對抖振的研究表明：隨著橋梁跨度的增大，結構的柔性增加，抖振也會相應增大；且隨著風速的增大，抖振相應振幅及結構內力會成倍增大。因此，對于設計風速較高跨度較大的各式橋梁，尤其對于大跨度斜拉橋和懸索橋，抗風設計中必須對抖振響應進行驗算。和其他風致振動一樣，也必須注意橋梁在施工階段的抖振問題，且對于采用懸臂法施工的斜拉橋或連續(xù)剛構橋，其施工最大的雙懸臂階段通

18、常是一最不利狀態(tài)。此時主梁易于發(fā)生豎擺振動(主梁像剛體一樣繞塔軸或墩在水平面內移動)，且抖振響應較成橋狀態(tài)的要大得多，可能稱為這類橋梁抗風設計中的控制性因素。3渦激振渦激振是一種具有強迫和自激雙重特性的自限幅風致振動現(xiàn)象，由于氣流繞經結構表面時所產生的以某一固定時間間隔有規(guī)律地脫落的旋渦引起。當氣流繞過結構時會在結構兩側背后尾流中產生交替脫落的旋渦，使結構表面的壓力產生周期性的變化，從而在結構上產生周期性的橫風向、順風向、靜作用力和靜扭矩，即渦激力。當風速達到一個適當?shù)闹禃r，渦激力或力矩的頻率接近于結構的某一固有頻率，從而激發(fā)結構的渦激共振。一旦結構開始共振，結構的振動幅度會顯著增大，結構運動

19、與氣流之間會產生強烈的相互作用，即氣彈效應。這種效應會使旋渦脫落頻率被結構機械頻率所控制，并被“鎖定”在結構的固有頻率附近，即在一定的風速范圍內渦脫頻率不再隨風速而變化，這就是所謂的渦激共振鎖定現(xiàn)象。 渦激振(vortex-induced)是一種較低風速下發(fā)生的有限振幅振動；只在某一風速區(qū)間內發(fā)生；最大振幅對阻尼有很大的依賴性；渦激響應對斷面形狀的微小變化很敏感；渦激振動可以激起彎曲振動，也可以激起扭轉振動。渦激振動有以下抑振措施：結構措施：增加結構的剛度即提高結構的固有頻率能相應地提高渦激共振的臨界風速；另一方面，在相同的條件下，增加結構的質量能減小結構渦激共振的振幅，但通常質量的增加會導致

20、頻率的下降，從而使得渦激共振臨界風速相應降低，此外頻率下降也會導致橋梁斷面顫振性能的惡化。氣動措施：由于渦激響應有對氣動外形十分敏感的特點，因此可以通過設置或調整橋梁的附屬結構以改善其抗渦振性能。由于氣動措施的機理目前尚不清楚，因此只能依靠風洞試驗或CFD計算來確定各種氣動措施對渦激響應的影響。此外，在調整橋梁斷面的氣動外形時，通常要綜合考慮對其他風致振動如顫振的影響，避免降低渦激響應的同時放大其他風致振動。氣動措施主要有平板隔流、增加風嘴、增設導流板以及調整檢修軌道等輔助設施位置。阻尼措施：渦激振動對阻尼相當敏感，阻尼的增加不但可縮短風速鎖定區(qū)，而且會明顯降低渦振振幅，因此增加結構的阻尼可以

21、有效地抑制渦振。阻尼措施其力學機理清楚，不與其他風振響應矛盾，但與氣動措施相比，阻尼措施造價昂貴且不便于維護。目前用于橋梁主梁結構振動控制的阻尼器主要有調質阻尼器與調液阻尼器。4拉索的風致振動隨著斜拉橋跨徑的增大,斜拉索的風致振動也越來越引起橋梁工程界的廣泛關注。斜拉索風振不僅由于振動產生交變應力,引起斜拉索疲勞損傷,而且會使拉索根部的鋼護管產生疲勞破壞,護管封口松動,導致錨頭等處積水,加速拉索腐蝕,最終大大縮短斜拉索使用壽命。拉索風致振動的機理很多,現(xiàn)認識到的有以下幾種。(1)渦激振動。當風流經圓形的拉索時,在其尾流中將出現(xiàn)交替脫落的旋渦。當拉索的卡門脫落的頻率接近索橫風向振動的某階固有頻率

22、時,將激起拉索該階頻率的橫風向振動。由于拉索的基頻較低,相應的渦振風速也小。一般觀察到的都是3階以上的渦激共振。(2)尾流弛振。當拉索在來流風方向前后排列時,在前排拉索的尾流區(qū)形成一個不穩(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)內其振幅就會不斷加大,直至達到一個穩(wěn)態(tài)大振幅的極限環(huán)。(3)參數(shù)共振。當橋面的振動頗率和拉索的局部橫向振動頻率接近倍數(shù)關系時,橋面的微小振動會激發(fā)大振幅的低階拉索振動。(4)結冰索的弛振。索表面結冰而形成弛振不穩(wěn)定氣動外形,引發(fā)拉索弛振,它與結冰電纜的弛振機理相同。(5)風雨振。伴隨著降雨,在某種風向風的作用下雨水沿斜拉索下流時的水道改變了拉索原來的

23、截面形狀,從圓形異化為類似于結冰電纜的三角形,這種使拉索成為空氣動力不穩(wěn)定的形狀,在一定的臨界風速下激發(fā)出類似結冰電纜的弛振,這種振動稱為雨振。三 有待進一步研究的問題1橋梁斷面顫振導數(shù)識別研究橋梁風致振動中的顫振及顫振導數(shù)概念源于飛行器的氣動彈性力學。有關的理論及試驗技術，在航空界已是非常成熟。但是，由于橋梁斷面不像機翼那樣總是一面迎風，而是上下游都可能迎風，因而不可能制成機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，橋梁截面的顫振導數(shù)識別問題，仍有許多問題有待研究和解釋，例如，顫振導數(shù)識別結果呈

24、現(xiàn)較大的波動性，試驗重復性也不好等等。用顫振導數(shù)表示氣動自激力的基本假定是氣動自激力是顫振導數(shù)的線性函數(shù)。通過節(jié)段模型風洞強迫振動試驗發(fā)現(xiàn)，及時在小幅振動下，鈍體橋梁截面的氣動自激力也已呈現(xiàn)非常明顯的非線性性質。對這樣的截面，用一個顫振導數(shù)的線性函數(shù)去逼近真實的氣動力，自然有本質上的困難，容易導致識別結果的不穩(wěn)定以及不同識別方法之間的顯著差別。橋梁斷面氣動導數(shù)的識別仍是橋梁結構抗風研究的一個熱點課題。2橋梁斷面的氣動導納識別試驗研究橋梁斷面氣動導納試驗研究識別仍是一個十分難的課題，而且氣動導納識別對于分析橋梁結構抖振響應又十分重要。目前是橋梁結構抗風研究的一個熱點，也是一個難點。橋梁斷面氣動導

25、納是反映橋梁結構所對應的風速與作用于其上的抖振力之間關系的函數(shù)，受橋梁斷面形狀、氣流分離以及來流脈動等因素的影響，同時如果從風洞試驗實測氣動導納，則還與模型自身的振動頻率有關。3橋梁斷面的雷諾數(shù)效應試驗研究橋梁斷面的雷諾數(shù)效應對大跨度橋梁結構的氣動參數(shù)影響十分重要，并受到許多研究者的關注。國內外的研究表明，近流線型閉口扁平箱形斷面的風洞試驗結果受到雷諾數(shù)效應的影響。Normandy橋三種比例模型測力試驗發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)效應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等人證實了雷諾數(shù)效應Great Belt East Bridge引橋風洞試驗與實橋施工時的渦振發(fā)生風速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)的關系，發(fā)現(xiàn)Strouhal數(shù)對雷諾數(shù)依賴性是明顯的。同濟大學李加武、林志興、項海帆等人在對近流線型斷面的系列研究中發(fā)現(xiàn)，無論是近流線型還是鈍體斷面都存在雷諾數(shù)效應，不同形狀斷面的雷諾數(shù)效應的規(guī)律是不同的。因此，雷諾數(shù)效應應在大跨度橋梁抗風設計中是需要考慮的。4橋梁斷面氣動參數(shù)的不確定性試驗研究橋梁抗風設計的主要目的是確保橋梁結構的抗風安全，而影響橋梁結構抗風性能的諸多因素具有不確定性。而其中，關于風與結構相互作用的不確定性主要可以從結構的三分力系數(shù)、斯托羅哈數(shù)以及氣動數(shù)幾個方面來考慮。對

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)對橋梁的安全性具有重要的影響，影響橋梁與其他結構空氣力系數(shù)的因素范圍和設計面較廣，與結構的型體、姿態(tài)、氣流和構造物的狀態(tài)。對于比較寬、具有流線型的橋梁斷面，氣流在斷面迎風側發(fā)生分離后還可以再附現(xiàn)象，因而導致主梁三分力系數(shù)對雷諾數(shù)十分敏感。影響橋梁三分力系數(shù)測試精度的主要因素有：端部效應、表面粗糙度以及紊流度。通過采用不同幾何縮尺比模型試驗來研究這些因素對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。盡管目前結構動力學發(fā)展十分迅速，但對于氣動參數(shù)的變異性研究還是不多。關于氣動導數(shù)的變異性葛耀君教授進行了研究，從氣動導數(shù)的試驗測量方法入手，將氣動導數(shù)的誤差分為三個相互獨立的隨機變量來描述，即試驗誤差、模擬誤差和流場誤差。試驗誤差是指由同一座橋在相同的實驗室內反復試驗以及同一座橋在不同的實驗室重復試驗得到的。葛耀君教授針對不同流場、不同頻率和不同風速對氣動導數(shù)的影響，進行了風洞試驗測試，得到了30個試驗樣本；研究顯示氣動導數(shù)的試驗誤差變異系數(shù)為0.05-0.15；在對試驗模擬誤差變異系數(shù)為0.05；氣動導數(shù)的模擬誤差主要是由于紊流所引起的，美國學者Y.K.Li