桥梁抗风概念设计

1陈政清[e-mail]湖南大学风工程研究中心2012年6月桥梁抗风设计方法与工程应用目录1.起源与历史2.桥梁风致振动的类型3.桥梁风致振动基本理论与抗风设计方法4.工程应用实例2起源与历史3桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故•位于美国西北的华盛顿州•1940年3月通车，•1940年7月风毁，风速18米/秒。•主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米•宽跨比1：72，高跨比1：350！！•主梁截面形式：H型板梁•位于美国西北的华盛顿州•1940年3月通车，•1940年7月风毁，风速18米/秒。•主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米•宽跨比1：72，高跨比1：350！！•主梁截面形式：H型板梁4旧塔科马海峡桥风毁事故•原因：扭转颤振－风致自激发散振动•教训：桥梁要有空气动力稳定性。•途径：（1）主梁良好的气动外形（2）保证桥梁扭转刚度（3）风洞试验，（4）建立桥梁抗风理论5发展简史•至1950‘年代：建立气动弹性力学基础Wagner，Theodonson，Sears，•1960’年代：桥梁颤振理论Sakata(日本），Scanlan（美国）桥梁抖振理论Davenport，Scanlan•1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计•1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度1991m的明石桥•1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国62、风致振动的类型1.Flutter颤振2.Vortexsheddingvibration涡振（涡激共振）3.Galloping驰振4.Buffeting抖振5.Divergence静力失稳6.Wakeinducedvibration尾流致振7(1)Flutter颤振基本特征：•扭转与弯曲复合振动，扭转为主•发散的自激振动•均匀流场即可发生•可能有明显的临界风速点8全桥颤振－tacoma桥大幅度扭转振动9杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振连续振动13小时至吊杆的翼板断裂2006年8月，广东一拱桥在24m/s风速下的振动录像（田仲初摄）10(2)Vortexsheddingvibration涡激共振•机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡，涡脱落时产生对柱体的作用力，涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振•特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生；弯曲或扭转11钢桥涡振实例－日本东京湾桥10跨连续刚构桥，主跨240米，单箱钢梁，梁高3～10米Trans-TokyoBayBridge12钢桥涡振实例－日本东京湾桥13拱桥矩形吊杆涡振（日本傍花大桥）14(3)Galloping驰振•细长杆件的大幅弯曲振动•自激的发散的振动，最先在结冰输电线上发现•可能发生在桥梁的：斜拉索，吊杆，超高塔柱15斜拉索风雨振－驰振随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。16(4)Buffeting抖振•机理：自然风的脉动分量产生一种随机力从而迫使桥梁产生随机振动•有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行车安全•因振幅小，难见实桥抖振录像•双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！！17抖振－全桥气弹模型试验湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验18(5)Divergence静力失稳•机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳同济大学提供19(6)尾流干扰•机理：气流依次流过前后两个柱体（串列）而产生的相互干扰作用•效应：降低颤振临界风速；产生涡振和驰振20尾流干扰实例－1:赛车21即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发生涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生全桥气弹模型风洞试验22风荷载与风致响应的分类自然风的分量结构状态风荷载类型描述风荷载的无量纲参数结构响应类型与特征平均风（定常流）假定为固定状态平均风力三分力系数静变形与静力失稳涡激力斯托哈特数介于强迫振动与自激振动之间微振动自激力颤振导数颤振、驰振（自激的可能发散的振动）脉动分量假定结构固定抖振力气动导纳抖振限幅振动（强迫振动）233、桥梁风致振动的基本理论与抗风设计方法24研究内容与特点•桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。•桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构响应。•风致振动是研究的重点和难点。汽车：风阻系数建筑：风荷载，风致振动（舒适性）桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易振动高跨比：苏通桥3.5/1088=1/310.8;西堠门桥3.51/1650=1/47025•基本思路：本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的和自激的。•基本方法：理论分析，风洞试验，CFD往往需要多种方法的综合应用与相互校核•重要假定：条带假定：等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等•主要对策微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）26近地风特性－风环境在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流度减少四类场地：A,B,C,D按地表粗糙度划分基本风速：B类，10m高，10min平均，百年一遇，桥面高度Z的设计风速指数对A,B,C,D四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30脉动风特性紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范p46)10(),10zZUU10U27结构动力特性分析•结构主要模态的频率和阻尼比对抗风性能影响很大•基频估计（规范p15）斜拉桥竖弯扭转，C查表悬索桥中跨简支竖弯•阻尼比，规范钢桥0.005可能偏于不安全•有限元动力分析一定要用三维有限元模型110bfLtCfL0.1ccbEAfLm28三分力•三分力－风荷载的三个分量（二维理论）阻力，升力和升力矩：是截面上分布压力的合力与截面形状有关，与风攻角有关，与自身振动有关静力三分力，准定常三分力，非定常三分力有体轴和风轴两种坐标系FVVMTFHα风荷载在体轴坐标系下的三分力29静力三分力系数及其影响因素•无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的静力风荷载的共同特征。•利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：阻力升力扭矩系数，CH，CV，CM静三分力系数随攻角变化212HHFUCD212VVFUCB2212TMMUCB30(1)驰振理论•当气流经过一个在垂直气流方向上处于微振动状态的细长物体时，即使气流是攻角与风速都不变的定常流，物体与气流之间的相对攻角也在不停的随时间变化。由气动三分力曲线可以看出，相对攻角的变化必然导致三分力的变化，三分力的这一变化部分形成了动力荷载，即气动自激力。由于按相对攻角变化建立的气动自激力理论，忽略了物体周围非定常流场的存在，仍将气流看作是定常的，因此这种理论称为准定常理论（Quasi-SteadyTheory）,相应的气动力称为准定常力。UαU31驰振方程－驰振稳定性判据•弯曲驰振方程为•移项后速度前的系数表示系统的净阻尼，用d表示有•当•时才会出现不稳定现象。因此上式左端又称为驰振力系数。又因为一般情况下阻力系数总是正的，因此只有当•升力系数关于攻角的斜率为负才可能出现不稳定的驰振现象，令d=0得到驰振临界风速计算公式。22122LDdCymyyyUBCdU0122LDdCdmUBCd00LDdCCd'0LLdCCd32杆件可能发生驰振的截面举例驰振临界风速验算公式'4()LDmUgBCC33可能发生驰振的截面举例34与驰振相关的抗风设计方法•测定截面的三分力随攻角变化的曲线，如升力曲线没有下降段，无驰振问题；•计算驰振系数和相应的驰振临界风速，应满足条件：Cg大于1.2倍设计风速•如不满足，考虑修改截面形状，如矩形柱可作切角处理成稳定的八边形截面；安装TMD以提高等效阻尼比等等35(2)颤振理论•自激力是非定常的，一般只需考虑升力和升力矩•自激力的Scanlan表达式2*2*2*12341(2)2hBhLUBKHKHKHKHUUB22*2*2*12341(2)2hBhMUBKAKAKAKAUUB式中，Hi和Ai，i=1.2.3.4称为颤振导数或气动导数，它们与截面形状有关，且假定为无量纲频率K=wB/U的函数，目前主要利用节段模型风洞试验数据经理论分析后识别，有自由振动法和强迫振动法。36典型截面的颤振导数•试验了四种断面的节段模型；•对每一种断面，分别进行单自由度，两自由度，三自由度试验；•对试验信号，分别用频域法，时域法识别颤振导数37模型PB模型HM模型AZ模型DT38平板断面气动导数平板（PB）模型扭转气动导数0.05.010.015.020.025.030.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5A*1U/fBTheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.0-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2U/fBA*2TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.0-1.00.01.02.03.04.05.06.07.08.0U/fBA*3TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.030.0-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8U/fBA*4TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree39平板（PB）模型竖向气动导数0.05.010.015.020.025.030.0-14.0-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.02.04.0U/fBH*1TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.0-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0U/fBH*2TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.0-30.0-25.0-20.0-15.0-10.0-5.00.05.0U/fBH*3TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree0.05.010.015.020.025.030.0-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5U/fBH*4TheodorsenPB1degreePB2degreePB3degree40单自由度扭转颤振•对于钝体截面，如边主梁，H型吊杆，可发生单自由度扭转颤振，此时h＝0，由两自由度颤振方程可得：•移项得•当A2大于零后，总阻尼可小于零，振动发散！222##23122BIUBAAU3#22#2311022IcUBAkUBA0.05.010.015.020.025.030.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0A*2TheodorsenDT1degreeDT2degreeDT3degreeU/fB41简化的二自由度颤振分析理论•利用振型分解，将桥梁振动简化为一对扭转与弯曲模态振动的气动耦合振动22hhhmhhhL22IM2####123412hBhLUBHHHHUUB2####123412hBhMUBAAAAUUB