浅谈风荷载对桥梁结构的影响

浅谈风荷载对桥梁结构的影响121210104罗余双摘要：风荷载是桥梁结构设计需要考虑的重要内容之一。本文先分析了风荷载的静力作用和动力作用对桥梁结构的影响，然后考虑桥梁结构进行抗风设计的主要影响因素，并给出了桥梁结构抗风设计的主要流程。关键词：桥梁、风荷载、抗风设计TheImpactofWindLoadontheBridgeStructure121210104LuoYushuangAbstract:Windloadisoneoftheimportantcontentsofthebridgestructuredesignneedstoconsider.Atfirst,thispaperanalyzesthestaticeffectanddynamicwindloadeffectontheinfluenceofthebridgestructure,andthenitconsidersmaininfluencingfactorsofwindresistancedesignofbridgestructure,givingthebridgestructurewindresistancedesignofthemainprocess.Keywords:Bridge、Windload、Wind-resistancedesign一、风荷载对桥梁结构影响研究的必要性桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的DryburghAbbey桥首先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉，造成75人死亡的惨剧。但直到1940年，美国华盛顿新建成的TacomaNarrows悬索桥，在不到20m/s的风速作用下发生了强烈的振动并导致破坏（见图1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。现代桥梁抗风研究自此开始。众所周知，桥梁是一种在风荷载作用下容易产生变形和振动的柔性结构，而且桥梁一般修建在江河、海峡等风速较大的区域。故此，抗风设计是桥梁结构设计的重要内容之一。为避免此类惨剧就必须要把风荷载对桥梁结构的影响降到最低，而有效抵抗和预防风荷载对桥梁结构的影响的一大前提，就是清楚的把握风荷载对桥梁结构的影响。图1被风摧毁的TacomaNarrows悬索桥二、风荷载在桥梁上的作用效应1.风对桥梁作用的现象及作用机制：风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象和机制见表1。表1分类现象作用机制静力作用静风载引起的内力和变形平均风的静风压产生的阻力、升力和力矩作用静力不稳定扭转发散静（扭转）力矩作用横向屈曲静阻力作用动力作用抖振（紊流风响应）限幅振动紊流风作用自激振动涡振旋涡脱落引起的涡激力作用驰振单自由度发散振动自激力的气动负阻尼效应——阻尼驱动扭转颤振古典耦合颤振二自由度自激力的气动刚度驱动2.风的静力作用假定在平均风速的作用下，结构保持静止不动或者其振动不影响空气力，此时的定常(不随时间变化)反应称为风的静力作用。2.1桥梁结构对风的静力作用的响应当气流以恒定不变的流速和方向绕过假定为固定不动的桥梁时，就形成了一个定常的流场。这样，空气对桥梁表面的动压力的合力——空气的作用力也是定常的。由于桥梁结构是一个水平方向的线状结构，流场可近似地看做是二维的。此时，空气作用力可分解成阻力、升力和升力矩3个分量，如图2所示。图2风的静力分解图从图2可以看出，桥梁结构在风的静力作用下有可能发生主要由阻力引起的侧向风压荷载，有时也要考虑升力影响的强度问题，或产生可能由升力矩作用下引起的扭转发散，或出现在阻力作用下侧倾失稳（水平面内的弯曲导致水平面的弯扭失稳）的稳定问题。因此，在桥梁的抗风设计中，需验算结构(特别是施工阶段的不利状态)在静风力作用下的安全性。2.2风的静力作用分析阻力、升力和升力矩的计算式分别为：阻力：升力：升力矩：式中：为气流的动压；A为桥梁的迎风投影面积；B为桥宽（桥梁顺风向的水平投影长度）；、、分别是各空气力分量的静力系数。空气静力系数与结构的风致振动也有密切关系，其斜率将决定与速度成正比的空气阻尼力的正负，由此即可判断截面的气动稳定性。桥梁断面的静力系数与截面形状、来流方向以及雷诺数有关。在桥梁结构中，除了圆形截面外，大部分非流线形截面都带有明显的棱角，气流的分离点基本上是固定的，即可以认为不会随风速而变化。因此，雷诺数的影响可以忽略不计。通常，阻力、升力和升力矩3个分力的静力系数应通过风洞实验测得。3.风对桥梁结构的动力作用为充分验证风荷载的静力作用及脉动风对桥梁的动力作用，对某大跨度桥梁分别施加平均风速为20m/s的静风及脉动风，将所得到的桥梁跨中节点位移时程曲线对比情况列于图3。由图4中的曲线可以看出，桥梁的竖向位移主要由施加的竖向车辆荷载引起，风荷载对其影响很小;桥梁受到静风荷载作用后横向位移急剧增加，而且偏向风荷载的方向;再施加脉动风荷载后，横向位移再次加剧，且呈现波动趋势，说明相对于竖向位移，桥梁的横向位移更容易受到风荷载的影响。图3风荷载对桥梁结构的荷载效应三、桥梁的抗风设计1.桥梁抗风设计的目的首先在于保证结构在施工阶段和建成后的营运阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载的静力作用和由于风致振动引起的动力作用。因此，首先应掌握架桥地点的风特性，决定桥梁的设计风速，并据此推算风对桥梁的作用，校核抗风安全性，如果有可能出现有害的振动或变形，就应考虑适当的防止对策或进行设计变更。2.抗风设计中的重要因素有：（1）风特性参数应通过调查和收集气象资料掌握桥址处的风特性，并采用正确的方法确定合理的参数供抗风设计使用。特别要注意桥址处特殊的地形、地貌和风向条件，以便对常规的取值进行必要的修正。（2）桥梁的动力特性需采用合理的力学模型，并注意边界支承条件的正确处理。对计算结果要通过与相似桥梁的比较检验其合理性和可靠性，其中特别是对于主梁前二阶对称和反对称的竖向弯曲、侧向弯曲和扭转振型要作出正确的判断。（3）桥梁风荷载、颤振临界风速、抖振响应抖振响应的正确预测主要取决于桥梁的动力特性、主梁断面的气动特性和紊流风特性。3.桥梁抗风设计的基本过程对于一般的大桥，初步设计阶段的抗风分析可采用近似的公式对各方案的静风载内力和气动稳定性进行估算，待方案确定后再通过节段模型的风洞试验测定各种参数，进行抗风验算和风振分析。对于重要桥梁，宜在初步设计阶段通过风洞试验进行气动选型，为确定主梁断面提供依据。在技术设计阶段再对选定的断面方案进行详细的抗风验算和风振分析，还应通过全桥模型的风洞试验对分析结果予以确认。桥梁结构抗风设计过程流程图结构型式动力特性截面选择假定阻力系数设计风载阵风系数设计风速基本风速气象资料重现期假定Th值颤振风速估计节段模型风洞试验各类风振分析全桥气弹模型试验三分力试验抗风措施抗风措施稳定性验算静力抗风设计算是否要进行全模型验算静力抗风验算检验不安全很安全不安全及格很安全满意不够满意否满意不够满意是及格阶段I阶段II阶段III四、有待进一步研究的问题通过已有研究成果的分析发现以下两个方面有待进一步深入研究。1、桥梁断面的气动参数桥梁断面的气动力(力矩)系数,气动导数和气动导纳是桥梁抗风设计中的重要气动参数。气动力(力矩)主要用于桥梁的稳定性分析,通过节段模型可以准确进行测量。目前,对流线性的桥梁断面可采用平板或翼型气动导纳的Sears函数来考虑抖振力的非定常效应,但是,对于复杂的桥梁断面形状,这种方法会产生误差。因此,对气动导纳的研究亦应十分关注。气动导纳的研究工作还有待进一步深入,特别是在湍流场中如何准确建立钝体的非线性、非定常气动力学模型。2、桥梁的拉索振动桥梁的拉索振动的形式有涡激振动、尾流振动、参数共振和斜索雨振等,其中研究的重点应该是斜索雨振。国内为对斜索雨振的机理进行了很多研究,除了用驰振理论解释外,还有用二次流理论和能量输入理论来解释雨振现象。中国空气动力研究与发展中心对斜索雨振现象进行了风洞试验,通过测量雨振斜索上的脉动压力分布来研究影响雨振的因素,并将雨振脉动压力积分得到的非定常气动力模型引入斜索雨振时的振幅计算。有关斜索雨振的机理还有待进一步研究。风对结构的作用不仅是静力问题,对于大跨度柔度桥梁,各类风致振动更是抗风设计时的主要内容。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。最后指出了有关风对桥梁作用的研究中,需要进一步研究桥梁断面的气动参数和桥梁拉索振动这两个问题。参考文献：[1]李曙光、芦杰浅，谈结构风工程与大跨度桥梁抗风设计[A]﹒山西建筑,2007,33(13):72-73.[2]项海帆进入21世纪的桥梁风工程研究[A]﹒第十届全国结构风工程学术会议论文集[C]﹒2001.[3]程兆君，浅谈桥梁抗风设计[B]，天津城市建设学院,(2008)04-0096-02.[4]谭建领、田万涛、李颖，风荷载对桥梁结构影响分析黄河水利职业技术学院，2007)03-0040-03.[5][2]JTG/TD60-01-2004，公路工程抗风计算规范[S].北京：人民交通出版社，2004.[6]马骎、唐洪亮、王少钦，风荷载对桥梁结构的作用效应研究[A](1．中交公路规划设计院有限公司，北京100088;2．北京建筑工程学院理学院，北京100044)（2013)04-0173-03[7]CAOYinghong，XIANGHaifan，ZHOUYing．SimulationofStochanicWindVelocityFieldonLong-spanBridges［J］．JournalofEngineeringMechanics．ASCE，2000，126(1):1-6．[8]项海帆．现代桥梁抗风理论与实践［M］．北京:人民交通出版社，2005．