橋梁抗風(fēng)基礎(chǔ)

第六講橋梁抗風(fēng)基礎(chǔ)福州大學(xué)土木工程學(xué)院22023/2/5主要內(nèi)容風(fēng)害VS震害橋梁史話及歷史橋梁風(fēng)毀風(fēng)工程基本術(shù)語近地風(fēng)特性風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用32023/2/5什么是風(fēng)？風(fēng)是一種自然現(xiàn)象：是由于太陽對地球大氣的加熱不均勻而引起的。由于地球表面的地形起伏和各種障礙物的影響，使靠近地面風(fēng)的流動發(fā)生紊亂，造成風(fēng)在速度、方向及其空間分布上都是非定常的（即隨時間變化的）和隨機(jī)的。

風(fēng)的分類：季風(fēng)，颶風(fēng)（臺風(fēng)、氣旋），溫帶氣旋，局部風(fēng)。42023/2/5風(fēng)的分級氣象學(xué)上將風(fēng)的強(qiáng)弱按10min時距的平均風(fēng)速的大小分成13個等級。右表為常用的蒲氏風(fēng)級表（由英國人F.Beaufort于1805年擬定）。52023/2/5季風(fēng)季節(jié)性的風(fēng)冬季形成大陸高壓夏季形成大陸低壓亞洲受季風(fēng)影響非常強(qiáng)烈62023/2/5臺風(fēng)強(qiáng)烈的熱帶氣旋，在北半球熱帶氣旋中的氣流繞中心呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)，愈靠近熱帶氣旋中心，氣壓愈低，風(fēng)力愈大，其中心卻是一片風(fēng)平浪靜的晴空區(qū)，即臺風(fēng)眼。當(dāng)熱帶氣旋中心附近最大風(fēng)力小于8級時稱為熱帶低壓，8和9級風(fēng)力的稱為熱帶風(fēng)暴，10和11級風(fēng)力的為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，只有中心附近最大風(fēng)力達(dá)到12級的熱帶氣旋才稱為臺風(fēng)。形成于高溫、高濕和其它氣象條件適宜的熱帶洋面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，除南大西洋外，全球的熱帶海洋上都有熱帶氣旋生成。72023/2/5臺風(fēng)82023/2/5溫帶氣旋由大尺度氣流受山脈阻擋或沿鋒面兩側(cè)的氣團(tuán)之間的相互作用而產(chǎn)生發(fā)生于中緯度地區(qū)移動速度一般夏季約為20km/h，冬季約為50km/h。伴隨有強(qiáng)雷暴和龍卷風(fēng)92023/2/5局部風(fēng)焚風(fēng)：空氣越過山頂后被迫下沉，絕熱壓縮使空氣溫度升高形成，典型見美國洛磯山脈布拉風(fēng)：寒冷區(qū)域無法形成焚風(fēng)，勢能轉(zhuǎn)化為動能，形成強(qiáng)烈陣風(fēng)，典型見亞得里亞海東北岸急流效應(yīng)風(fēng)：因地形分布導(dǎo)致流線輻合，風(fēng)速增強(qiáng)，典型見法國南部羅納谷地雷暴：暖濕氣流上升過程中大規(guī)模降雨，使冷氣流下沉，在地面以壁急流形式形成擴(kuò)散而成龍卷風(fēng)：在強(qiáng)雷暴中形成，所有風(fēng)中最強(qiáng)的風(fēng)102023/2/5局部風(fēng)——焚風(fēng)

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米特點(diǎn)：熱、干燥112023/2/5局部風(fēng)——布拉風(fēng)

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米在某些情況下，空氣下降時加熱不夠，則形成布拉風(fēng)。特點(diǎn)：冷、干燥122023/2/5局部風(fēng)——龍卷風(fēng)

龍卷風(fēng)產(chǎn)生過程：大氣的不穩(wěn)定性產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流的影響，它被進(jìn)一步加強(qiáng)。132023/2/5局部風(fēng)——龍卷風(fēng)

龍卷風(fēng)產(chǎn)生過程：

由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風(fēng)相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉(zhuǎn)，形成中尺度氣旋。142023/2/5局部風(fēng)——龍卷風(fēng)

152023/2/5局部風(fēng)——龍卷風(fēng)

龍卷風(fēng)產(chǎn)生過程：隨著中尺度氣旋向地面發(fā)展和向上伸展，它本身變細(xì)并增強(qiáng)。同時，一個小面積的增強(qiáng)輔合，即初生的龍卷在氣旋內(nèi)部形成，產(chǎn)生氣旋的同樣過程，形成龍卷核心。162023/2/5龍卷風(fēng)產(chǎn)生過程：

龍卷核心中的旋轉(zhuǎn)與氣旋中的不同，它的強(qiáng)度足以使龍卷一直伸展到地面。當(dāng)發(fā)展的渦旋到達(dá)地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風(fēng)速急劇上升，形成龍卷。局部風(fēng)——龍卷風(fēng)172023/2/5局部風(fēng)——龍卷風(fēng)的等級

182023/2/5風(fēng)害VS震害熱帶氣旋災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，因其發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于地震災(zāi)害，故其累積損失也高于地震災(zāi)害我國是世界上受熱帶氣旋危害最甚的國家之一1991年4月底在孟加拉國登陸的熱帶氣旋曾經(jīng)奪去了13.9萬人的生命臺風(fēng)給我國造成的經(jīng)濟(jì)損失，上世紀(jì)80年代為數(shù)十億元，90年代為100億元，去年（2005）已經(jīng)發(fā)展到750億元福州大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所陳曉冬192023/2/5大跨度橋梁抗風(fēng)研究發(fā)展簡述地震影響的主要是中小橋梁，而風(fēng)荷載則是大跨度橋梁設(shè)計(jì)的首要考慮因素1759年Smeaton等就提出構(gòu)造物設(shè)計(jì)時要考慮風(fēng)壓問題，開始有了風(fēng)荷載的概念，但當(dāng)時對風(fēng)壓的認(rèn)識是不夠的1879年，英國的Tay橋受到暴風(fēng)雨的襲擊，85跨桁架中的13跨連同正行駛于其上的列車一起墮入河中的特大事故1887年重建Tay橋時，由Baker等經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，確定了風(fēng)壓的大小是，此后相當(dāng)長時間內(nèi)，人們把風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用仍只看成是由風(fēng)壓產(chǎn)成的靜力作用202023/2/5TayBridge風(fēng)毀事故當(dāng)時最長的鐵路橋梁，總長3公里，由84跨鑄鐵桁架組成212023/2/5由于風(fēng)而受到損害，早在Tay橋被風(fēng)毀之前就多次發(fā)生。據(jù)記載，在1818年至1940年間，至少有11座懸索橋毀于暴風(fēng)。從目擊者所描述的風(fēng)毀景像中可以明顯感到事故的原因是風(fēng)引起的強(qiáng)烈振動。只是人們對這種風(fēng)致振動機(jī)理還不可能作出科學(xué)的解釋，對其危害性認(rèn)識還不夠。1940年，美國西海岸華盛頓州建成了中央路徑為853m，居當(dāng)時世界第三位的塔科馬懸索橋（TacomaBridge），其設(shè)計(jì)風(fēng)速為60m/s。然而四個月后，卻在19m/s的風(fēng)速襲擊下，產(chǎn)生強(qiáng)烈扭曲振動而遭破壞。這次事故再次震驚了橋梁工程界，經(jīng)過廣泛深入研究，提出了橋梁的風(fēng)致振動問題。222023/2/5塔科馬橋毀的討論該橋在設(shè)計(jì)時吸取了Tay橋事故的經(jīng)驗(yàn)，其抗風(fēng)壓的設(shè)計(jì)對于60m/s的風(fēng)速都是安全的。然而對風(fēng)致振動卻幾乎未加考慮。根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)條件，采用了鋼板梁，并且選用了從空氣動力學(xué)角度來看屬于不穩(wěn)定的H型斷面。因此，1940年剛剛建成通車后，每通稍強(qiáng)的風(fēng)就顯示出有風(fēng)振的趨勢，但在頭4個月內(nèi)，這些振動僅是豎向的，而且在振幅達(dá)到大約1.5m后振動就衰減下來。運(yùn)營幾個月之后，隨著跨中防止加勁梁和主索間相互位移的幾根穩(wěn)定索的斷裂，振型突然改變，主橋在跨中作反對稱扭曲運(yùn)動，在跨度l／4點(diǎn)出現(xiàn)從至的傾斜。發(fā)生了扭曲振動約l小時之后，隨著吊桿在索套處的疲勞斷裂，約300m長的加勁梁墜入水中。232023/2/5TacomaNarrowBridge的風(fēng)毀242023/2/5風(fēng)毀事件列表DryburghAbbeyBridge,Scotland1818suspensionbridge,severewinddamageUnionBridge,England1821suspension,severewinddamageThomasTelford'sMenaiStraitBridge,Wales1826suspensionbridge,blowndowninhurricanein1839,celebratedwroughtironNassauBridge,Germany1834suspensionbridge,winddamageMontroseBridge,Scotland1838suspension,severewinddamageBritanniaBridge,MenaiStrait,WalesTtubular,ironbridge1839suspension,severewinddamageRoche-BernardBridge,France1852suspension,severewinddamageTNiagara-LewistonBridge,USA-Canada1864suspension,severewinddamageWheelingBridge,USA1864suspension,severewinddamageTayBridge,Scotland1879Trussbridge,unstableinwindBrooklynBridge,NewYork1883successfulbridgedesignNiagara-CliftonBridge,USA-Canada1889suspension,severewinddamageFykesesundBridge,Norway1937Modernbridgeoscillatedinwind,stiffenedbyrolledI-beamGoldenGateBridge,USA1937oscillatedinwind,stiffenedbytrussThousandIslandsBridge,USACanada1938oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-WhitestoneBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-Whitestone,NewYork1939sisterdesigntotheTacomaNarrowsbridge,stiffenedbyplategirderin1943duetowindoscillationproblemsDeerIsleBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderTacomaNarrowsBridge,WashingtonState1940Suspensionbridge,aerodynamicinstability252023/2/520世紀(jì)的后50年間，雖然沒有發(fā)生象塔科馬橋那樣的風(fēng)毀事故，但是簡易人行吊橋的風(fēng)毀（日本，1963年），架設(shè)中的桁架橋的風(fēng)毀（日本木曾川橋，1962年），施工中獨(dú)立橋塔因風(fēng)振而產(chǎn)生的塔柱接頭部位的損傷（1964年建成的英國福斯橋），下承式拱橋及郎格爾桁架的吊桿因渦激共振產(chǎn)生的疲勞損傷，斜拉橋的纜索振動等，卻時有報(bào)道。因此橋梁的風(fēng)害至今仍然是橋梁工程師們十分關(guān)注的問題。262023/2/5

我國是受臺風(fēng)襲擊較嚴(yán)重的國家。近些年來，隨著大跨度橋梁的建設(shè)，橋梁的風(fēng)害也時有出現(xiàn)。例如廣東南海九江公路斜拉橋施工中吊機(jī)被大風(fēng)吹倒，砸壞主梁，江西九江長江公路鐵路兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振，上海楊浦斜拉橋纜索的渦振和雨振使索套損壞等。由于我國大跨度橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁的風(fēng)害問題必須引起橋梁工程師的足夠重視。272023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語基本風(fēng)速basicwindspeed：開闊平坦地貌條件下，地面以上10m高度處，100年重現(xiàn)期的10min平均年最大風(fēng)速設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速designstandardwindspeed：在基本風(fēng)速基礎(chǔ)上，考慮局部地表粗糙度影響，橋梁結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件基準(zhǔn)高度處100年重現(xiàn)期的10min平均年最大風(fēng)速風(fēng)攻角windattackangle：風(fēng)的主流方向與水平面產(chǎn)生的夾角282023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語陣風(fēng)系數(shù)gustfactor：反映時距為1~3s的瞬時風(fēng)速與10min平均風(fēng)速的關(guān)系系數(shù)靜陣風(fēng)系數(shù)staticgustfactor：考慮地表粗糙度、風(fēng)荷載加載長度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件離地高度等因素的陣風(fēng)系數(shù)陣風(fēng)荷載gustload：基于陣風(fēng)風(fēng)速的風(fēng)荷載地表粗糙度terrainroughness：反映大氣邊界層中地表起伏或地物高矮稀密的程度292023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語空氣靜力系數(shù)aerostaticfactor：表征在風(fēng)的靜氣動力作用下，結(jié)構(gòu)斷面受力大小的無量綱系數(shù)。靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散aerostatictorsionaldivergence：在風(fēng)的靜力扭轉(zhuǎn)力矩作用下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臨界值時，橋梁主梁扭轉(zhuǎn)變形的附加攻角所產(chǎn)生的空氣力矩增量超過了結(jié)構(gòu)抵抗力矩的增量，而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角不斷增大的失穩(wěn)現(xiàn)象。靜力橫向屈曲aerostaticlateralbuckling：橫向靜風(fēng)荷載值超過橋梁主梁橫向屈曲臨界荷載值時出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象。顫振flutter：振動的橋梁通過氣流的反饋?zhàn)饔貌粩辔∧芰?，振幅逐步增大直至使結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)散性自激振動。302023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語馳振glloping：振動的橋梁從氣流量不斷吸取能量，使非扁平截面的細(xì)長鈍體結(jié)構(gòu)的振幅逐步增大的發(fā)散性彎曲自激振動。渦激共振vortexresonance：氣流繞經(jīng)鈍體結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生旋渦脫落，當(dāng)旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近或相等時，由渦激力所激發(fā)出的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。抖振buffeting：風(fēng)的紊流成分所激發(fā)的結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動，也稱為紊流風(fēng)響應(yīng)。顫振檢驗(yàn)風(fēng)速fluttercheckingwindspeed：檢驗(yàn)橋梁避免發(fā)生顫振的風(fēng)速。312023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語靜力三分力aerostaticforce：氣流繞過橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的靜力作用力的三個分量，即阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩。節(jié)段模型試驗(yàn)sectionalmodeltesting：將橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的代表性節(jié)段做成剛性的模型，在風(fēng)洞中測定其靜力三分力或非定常氣動力作用的試驗(yàn)。全橋氣動彈性模型試驗(yàn)fullaeroelasticmodeltesting：將橋梁結(jié)構(gòu)按一定幾何縮尺并滿足各種必要的空氣動力學(xué)相似條件制成的彈性三維空間模型，在風(fēng)洞中觀測其在均勻流及紊流風(fēng)場中各種風(fēng)致效應(yīng)的試驗(yàn)。322023/2/5風(fēng)工程基本術(shù)語風(fēng)振控制wind-inducedvibrationcontrol：為避免出現(xiàn)發(fā)散性風(fēng)致振動或過大的限幅振動所采取的氣動措施、結(jié)構(gòu)措施或機(jī)械措施。調(diào)質(zhì)阻尼器tunedmassdamper：由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼元件組成的動力減振裝置。332023/2/5地球大氣層大氣層（atmosphere）:地球表面薄層空氣，厚度1000km（1/12地球直徑）對流層（troposphere）:大氣層底部1%厚度，厚度10,000m（飛行高度，最高山峰）大氣邊界層（ABL）：對流層底部10%，厚度<1000m（梯度風(fēng)高度，建筑物高度）地表層（surfacelayer）:大氣邊界層底部10%，厚度100m左右（風(fēng)速劇烈變化）粗糙層（roughnesslayer）:地表層底部10%，厚度10m左右（地表粗糙元）342023/2/5粗糙元粗糙層表面層對流層邊界層距離地表高度（米）0104103101021地球表面在邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨著高度增加而增加；紊流和陣風(fēng)特性也隨著高度不斷變化；邊界層風(fēng)場中風(fēng)具有寬頻特性；在不同高度紊流風(fēng)具有相似的陣風(fēng)和頻率特性。大氣層及其空間垂直分布示意圖352023/2/5自然風(fēng)記錄風(fēng)速是脈動的，不是平穩(wěn)的8分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速變化不大平均風(fēng)速隨高度增大脈動分量與平均風(fēng)相比較小362023/2/5自然風(fēng)譜特性脈動風(fēng)能量分布特點(diǎn)：主峰：年，4天，1天，1分鐘等，低谷：10~60分鐘低頻能量分布特點(diǎn)：周期：4~5天，相當(dāng)于實(shí)際大氣系統(tǒng)移動周期高頻能量分布特點(diǎn)：周期：1分鐘高頻譜峰能量取決于平均風(fēng)速372023/2/5平均風(fēng)空間特性風(fēng)剖面—離地高度特性（1）指數(shù)律模型（PowerProfile）相同場地：不同場地：

----梯度風(fēng)高度（m）；-----常指數(shù)值（2）對數(shù)律模型（LogarithmicProfile）基本公式：相同場地：

---粗糙高度(m)；---地表剪切風(fēng)速

---Karman常數(shù)，382023/2/5風(fēng)剖面（續(xù)）（3）復(fù)合體模型（ComplexProfile）場地類別

類別IIIIIIIV冪指數(shù)0.120.160.220.30粗糙度(m)0.010.050.301.00梯度風(fēng)高度(m)500600700700392023/2/5地表粗糙度類別《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》

A類：至近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠。B類：指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)。C類：指有密集建筑群的大城市市區(qū)。

地表粗糙度類別《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》

I海面、海岸、開闊水面II田野、鄉(xiāng)村、叢林及低層建筑物稀少地區(qū)III樹木及低層建筑物等密集地區(qū)中高層建筑物稀少地區(qū)平緩的丘陵地IV中高層建筑物密集地區(qū)起伏較大的丘陵地402023/2/5平均風(fēng)的空間特性7006005004003002001000場地類別I場地類別II場地類別III場地類別IV高度(m)412023/2/5Z0＝0.01m的場地422023/2/5Z0＝0.05m的場地432023/2/5Z0＝0.3m的場地442023/2/5非標(biāo)準(zhǔn)條件下風(fēng)速的計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)高度和非標(biāo)準(zhǔn)地貌情況即，同時推算到梯度高度，再反推到實(shí)際高度非標(biāo)準(zhǔn)時距情況452023/2/5由于受到大氣壓差的氣壓梯度力、地球自轉(zhuǎn)引起的偏轉(zhuǎn)力與地球表面之間的摩擦力等作用，風(fēng)的速度和方向是隨時間和地點(diǎn)不斷變化的。根據(jù)大量風(fēng)的實(shí)測資料，在風(fēng)的順風(fēng)向時程曲線中，包含兩種成份：一種是長周期部份，其值常在10分鐘以上；另一種是短周期部份，常只有幾秒左右（見下圖）。根據(jù)上述兩種成份，實(shí)用上常把風(fēng)分為平均風(fēng)（即穩(wěn)定風(fēng)）和脈動風(fēng)（常稱陣風(fēng)脈動）來加以分析。風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用462023/2/5風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用是復(fù)雜的氣動力學(xué)問題。由于自然風(fēng)中的紊流成分的不同特征，以及橋梁的結(jié)構(gòu)型式和斷面形狀的不同，風(fēng)對橋梁的作用也表現(xiàn)出多種不同的形式。概括起來，風(fēng)對橋梁的作用可分為靜力的和動力的兩類，如下表所示。風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用472023/2/5由于平均風(fēng)的風(fēng)速在一定時間長度（稱作時距）內(nèi)不隨時間變化，而且其周期遠(yuǎn)大于橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，因此，平均風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用是靜力作用。由平均風(fēng)的靜風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力、升力和力矩作用，可能引起橋梁的強(qiáng)度、變形破壞和靜力失穩(wěn)。橋梁結(jié)構(gòu)的靜力失穩(wěn)可以有兩種形式：一種是以主梁的扭轉(zhuǎn)變形形式出現(xiàn)的失穩(wěn)，叫做扭轉(zhuǎn)發(fā)散；一種是以主梁的橫向彎曲形式出現(xiàn)的失穩(wěn)，叫做橫向屈曲。脈動風(fēng)是由于風(fēng)的不規(guī)則性引起的，脈動風(fēng)的風(fēng)速圍繞平均風(fēng)速隨時間隨機(jī)變化。由于脈動風(fēng)的周期較短，它對結(jié)構(gòu)的作用是動力作用。風(fēng)對結(jié)構(gòu)的動力作用效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動現(xiàn)象是多種多樣的，但總的可以分為兩大類：抖振和自激振動。風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用482023/2/5抖振是指風(fēng)速中無規(guī)律隨機(jī)變化的脈動成分（脈動風(fēng)）激勵起橋梁不規(guī)則的有限振幅振動的現(xiàn)象。它也會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，還可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性力而使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增大。自激振動現(xiàn)象包括顫振、馳振和渦激共振。在風(fēng)引起的自激振動現(xiàn)象中，最危險的是導(dǎo)致動力失穩(wěn)的自激型發(fā)散振動——顫振和馳振。所謂自激發(fā)散振動就是橋梁在風(fēng)力作用下被激起振動后，在一定的振動頻率和相位下，它可以不斷地從風(fēng)力作用中獲得能量補(bǔ)充，以抵消橋梁結(jié)構(gòu)