风对结构的作用

第40卷第7期土木工程学报Vol.40No.72007年7月CHINACIVILENGINEERINGJOURNALJul.20071风对桥梁的作用李灿（石家庄铁道大学，050043）摘要：随着交通运输业的发展，大跨度桥梁(斜拉桥和悬索桥)已成为当今桥梁建设中的主流，也促进了风对桥梁的作用的研究。长期以来，在桥梁工程的设计中都没有充分重视风对结构的作用。历史上曾经出现过不少因空气静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳事故。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象．它受到风的特性、结构的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。工程上，常把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分，前者对桥梁的作用相当于静力荷载。后者则相当于动力荷载。风对桥梁的作用力分为竖向、横向和扭转3个方向，通常用风洞试验测得的静力3分力系数来表示。风对桥梁的动力作用包括抖振、涡激、驰振、颤振等，其中颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。因此大跨度桥梁是我国桥梁的发展方向，在大跨度桥梁的抗风设计时，除理论分析之外，更主要是通过模型风洞试验予以确定和评价。关键词：风静力；风动力；大跨度桥；风洞试验；减震措施中图分类号：U448.27TU311.3文献标志码：AThewindeffectsonbridgesLican(ShijiazhuangRailwayUniversity,Shijiazhuang050043,China)Abstract:Withthedevelopmentoftransportation,largespanbridgegirder(cable-stayedbridgeandsuspensionbridge)hasbecomethemainstreaminbridgebeamconstruction,alsopromotedthestudyofwindeffectsonbridges.Long-termsince,inthebridgeengineeringdesigndidnotpayfullattentiontothewindeffectsonstructures,Historyhasseenquiteafewbecauseofairstatic,dynamicloadcausedbythebridgecollapse.Thewindeffectsonbridgesisaverycomplicatedphenomenon.Ithasthecharacteristicsofthewind,thestructuraldynamiccharacteristicsandwindstructureinteractionbetweenthreesideconstraint.Project,oftentakethenaturalwinddecompositionforthetime-varyingmeanwindandthechangeovertimeofthefluctuatingwindparttwo,theformereffectsonbridgesequivalentstaticload.Thelatterphasewheninpowerload.Windforceonbridgeisdividedintovertical,lateralandtorsionaldirectionsin3,usuallywithwindtunneltestmeasuredstatic3coefficientstorepresent.Thedynamiceffectofwindonbridgeincludingthebuffeting,VIV,galloping,flutter,flutterandbuffetingisoneofthemaintwokindsofdynamicstabilityproblem.ThereforebridgewithlargespanbridgeinChinaisthedirectionofdevelopment,inlargespanbridgedesign,inadditiontothetheoreticalanalysis,mainlythroughmodelwindtunneltesttoidentifyandevaluate.Keywords:Windforce;Windpower;largespanbridge;Windtunneltest;Shockabsorbingmeasures一、引言1作者简介：李灿，学士收稿日期：2011-12-23随着交通运输业的发展，大跨度桥梁(斜拉桥和悬索桥)已成为当今桥梁建设中的主流，上海东海大桥建设拉开了中国建设跨海长桥的序幕;苏通大桥和上海卢浦大桥给中国桥梁界冲击超千米斜·66·土木工程学报2007年2拉桥和拱桥的纪录提供了机会；上海崇明隧桥工程中的亮点是成功地采用连续结合梁以避免钢箱梁桥面铺装的耐久性问题;而舟山连岛工程的西堠门大桥则面临着抗风的难题。1940年秋，美国塔科马悬索桥建成才4个月就在l9m／s的8级大风下因扭转发散振动(扭转颤振)而坍塌。在为调查这一事故而收集的桥梁风毁资料中，人们还发现．自1818年起至少已有ll座悬索桥遭到风毁。塔科马悬索桥的甩毁事故引起了桥梁工程界的震惊。也促进了风对桥梁的作用的研究。长期以来，在桥梁工程的设计中都没有充分重视风对结构的作用。历史上曾经出现过不少因空气静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳事故。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象。它受到风的特性、结构的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。自然风是一个在时间上随机变化。在空间上不均匀分布的量，从强风的实测时程来看。它由周期在10min以上的长周期分量和周期仅约几秒钟的短周期分量组成。工程上，常把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分，前者对桥梁的作用相当于静力荷载。后者则相当于动力荷载。二、风静力的影响当结构刚度较大因而几乎不振动，或结构虽有轻微振动但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态，因而不影响气流对桥梁的作用力，此时风对桥梁的作用可以近似看作为一种静力荷载。风对桥梁的作用力分为竖向、横向和扭转3个方向，通常用风洞试验测得的静力3分力系数来表示。桥梁载静力荷载作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。如现行桥梁规程中所规定的那样，主要考虑桥梁在侧向风荷载作用下的应力和变形，按此规律变化的风荷载可能引起结构的失稳状态为横向侧倾失稳或扭转发散．另外对于升力较大的情况，也需要考虑竖向升力对结构的作用[1]。对于柔性较大的特大跨度桥梁，则还需要考虑侧向风荷载作用下主梁整体的横向屈曲，其发生机制类似干桥梁的侧向整体失稳问题以及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力矩增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳现象[2]。如前所述，大跨度悬索桥的结构行为始终是非线性的．不仅随着桥梁跨度的增大，结构的几何非线性会越来越显著而且风荷载也随结构变位而呈现非线性特征(气动非线性)。也就是说，静力3分力系数是结构变位的函数。影响风荷载的结构变位主要是主梁的扭转角，因此考虑扭转角影响的静力3分力公式为：212HHPVDC(1)212VVPVBC(2)2212MMPVBC(3)其中，为空气密度，D、B分别为梁截面的高度和宽度，CH()、CV()、CM()分别为风荷载在横向、竖向和扭转方向的分力系数。按此式规律变化的风荷载可能引起桥梁发生一种新的失稳形式，即弯扭耦合失稳。这也是在大跨度桥梁的设计中应该注意到的一个问题。三、风动力对桥梁结构的影响大跨度桥梁，尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥，除需要考虑静风荷载的作用之外，还需考虑风对结构的动力作用。其中对桥梁的动稳定性研究尤为重要。风对桥梁的动力作用包括抖振、涡激、驰振、颤振等，其中颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。l、颤振(Flutter)颤振(Flutter)是桥梁结构在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下产生的一种发散振动，是在一定的临界风速下结构振动振幅急剧增加而会导致结构毁坏的一种发散振动。发散振动是一种空气动力失衡现象，它主要是因为结构的运动(振动)影响了气流经过桥梁时的绕流状态，因而影响了气动力，从而产生一种所谓自激力，结构在自激力作用下振幅越来越大最后导致动力失稳。由于这种振动一经发生就会导致结构的整体破坏，因而在抗风设计中，要求发生颤振的临界风速大于主梁的设计风速并留有一定的安全余量。颤振可以分为两类，一是扭转颤振(TortionlFlutter)，美国塔科马悬索桥即是因其主梁为流线性型较差的钝体而发生这类发散振动而毁坏的；二是弯扭耦合颤振(HeavingFlutter)，常见于流线性较好扁平截面梁情况，其发生机制类似于机翼的古典颤振。·66·土木工程学报2007年3发生颤振的必要条件是：结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位相差，因而使振动的结构有可能从气流中吸取能量而扩大振幅。除了能量输入外，还必须有一定的相对气流速度才能发生颤振。在速度较低的情况下，结构所吸取的能量会被阻尼消耗而不发生颤振，只有在速度超过某一值时，才会发生颤振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，则结构维持等幅振动，与此状态对应的速度称为颤振临界速度v（简称颤振速度）。当气流速度跨越颤振速度时，振动开始发散。因此，桥梁抗风设计时必须对桥梁进行颤振分析，确定临界颤振风速和振动特性，颤振分析时，可以采用Scanlan的颤振理论，首先用阶段模型风洞试验测量气动导数，引入运动方程，进行三维颤振分析，然后进行全桥模型风洞试验，对临界颤振风速和振动特性进行验证，除此之外，还可采用同济大学提出的状态空间法。2.抖振（buffeting）抖振（buffeting）又称为阵风相应，是边界层分离或湍流激起结构或部分结构的不规则振动。是一种随机强迫振动。但由于发生抖振的风速低，频率大，会导致结构局部疲劳，影响行人和车辆行驶的安全性，因此桥梁抗风设计时也要进行抖振相应分析。近年来，随着对抖振机理的深入认识，提出了一种新的抖振响应分析方法，以非线性有限元的直接积分法为基础，考虑了结构的几何非线性和有效攻角效应。时程分析方法是桥梁风工程中的主要方法之一。其基本流程是首先模拟桥梁风场的脉动风速时程，根据脉动风速计算抖振力和自激力，然后将抖振力和自激力的计算编入非线性有限元程序中，最后再运用这样的程序进行计算。对抖振的研究表明：随着桥梁跨度的增大，结构的柔性增加，抖振也会相应增大；且随着风速的增大，抖振相应振幅及结构内力会成倍增大。因此，对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁，尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥，抗风设计中必须对抖振相应进行检算。3.涡激振（vortex-induced）从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。Re=0--4,5Re=4,5--30,48Re=30,48—180,200Re=180,200—220,250图1圆柱体周围流场的变化Thevariationoftheflowfieldaroundacylinder涡激振（vortex-induced）是一种较低风速下发生的有限振幅振动；只在某一风速区间内发生；最大振幅对阻尼有很大的依赖性；涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动。对桥梁结构而言，除透风率大于50％的桁架主粱可不考虑祸激振动外，一般均需对主粱整体的涡激振。尤其对截面宽高比较小（如小于5）的主梁结构的涡激振进行检算。此外，大跨度系杆拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥和斜拉桥在施工阶段的独塔等