设计风荷载

同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁抗风设计第四讲主讲教师：杨詠昕副研究员．博士设计风荷载2、主梁静阵风荷载1、桥梁设计风荷载同济大学土木工程防灾国家重点实验室3、其它构件静阵风荷载4、静力等效风荷载5、设计风荷载问题同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.桥梁设计风荷载1.1风荷载组成bfFFFF—平均风引起的静力风荷载分量—平均风引起的自激力荷载分量—脉动风引起的强迫力荷载分量规范方法：静止结构风荷载(忽略结构振动响应)理想方法：振动结构风荷载(动力荷载效应)实用方法：最大自激力和最大强迫力等效静风荷载bfFFF同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.2静力风荷载(1)定义静阵风荷载—最大静力作用风荷载(2)组合可与永久荷载和可变荷载组合与汽车荷载组合时，Vz=25m/s桥梁最大通勤风速为25m/s(3)静阵风风速Vg=GvVzVg—静阵风风速Gv—静阵风系数Vz—基准高度z处的风速同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.主梁静阵风荷载2.1静阵风荷载FH—平均风引起的静力风荷载分量ρ—空气密度(kg/m3)，取值1.25kg/m3CH—主梁的横向力系数，一般由风洞试验确定H—主梁投影高度(m)，与CH取值相关Vg—取用静阵风风速(m/s),221HCVFHgH,221BCVFVgv2221BCVFMgM同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.2常用断面阻力系数(1)I字形、Π字形、箱形断面B—主梁断面全宽(m)H—主梁投影高度(m)，应取实体高度(2)斜腹板箱形截面阻力系数CH按每倾斜1°折减0.5%，最大可折减30%8,3.181),(1.01.2HBHBHBCH－斜腹板的倾角计算同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.2常用断面阻力系数(续)桁架风载阻力系数CH实面积比=桁架净面积/桁架轮廓面积桥面系构造的风载阻力系数取CH=1.3实面积比矩形或H形截面构件圆柱型构件(D为直径)DV06m2/sDV06m2/s0.11.91.20.70.21.81.20.80.31.71.20.80.41.71.10.80.51.61.10.8(3)桁架断面同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.2常用断面阻力系数(续)桁架遮挡系数η间距比=两桁架中心距/迎风桁架高度迎风桁架的风载阻力系数均取ηCH间距比实面积比0.10.20.30.40.5≤11.00.900.800.600.4521.00.900.800.650.5031.00.950.800.700.5541.00.950.800.700.6051.00.950.850.750.6561.00.950.900.800.70(3)桁架断面(续)同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.3顺桥向风荷载(1)跨径小于200m的桥梁实体断面：取横桥向风荷载的0.25倍桁架断面：取横桥向风荷载的0.50倍(2)跨径等于或大于200m的桥梁非桁架断面：Ffr—单位长度磨擦力(N/m)cf—磨擦系数，光滑0.01，粗糙0.02，非常粗糙0.04s—主梁周长(m)scVFfgfr221同济大学土木工程防灾国家重点实验室2.4施工阶段风荷载(1)悬臂施工桥梁荷载对称荷载不对称荷载系数：0.5(2)悬臂施工控制工况最大双悬臂状态最大单悬臂状态同济大学土木工程防灾国家重点实验室nHgHACVF2213.其它构件静阵风荷载3.1横桥向静阵风荷载CH—桥梁各构件的阻力系数An—桥梁各构件顺风向投影面积(m2)对吊杆、斜拉索和主缆取为直径以及投影高度作用于桥墩或桥塔上的风荷载可按地面或水面以上0.65倍墩高或塔高处的风速值确定同济大学土木工程防灾国家重点实验室3.2桥墩或桥塔阻力系数同济大学土木工程防灾国家重点实验室3.3斜拉索和主缆的阻力系数(1)斜拉桥斜拉索与活载组合时：CH=1.0（低雷诺数）设计基准风速：CH=0.8（高雷诺数）(3)悬索桥吊杆中心距≥4D：CD=0.7(单独考虑)(2)悬索桥主缆中心距≥4D：CD=0.7(单独考虑)中心距4D：CD=1.0(合成一根)同济大学土木工程防灾国家重点实验室3.4顺桥向斜拉索风载CH—斜拉索的阻力系数α—斜拉索水平倾角D—斜拉索的直径(m)2221sinDCVFHgH同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.静力等效风荷载4.1等效原理等效意义—最大动力荷载等效成静力荷载等效原则—振型峰值截面的最大位移或最大内力等效4.2按结构刚度区分大刚度结构：平均风荷载+脉动风荷载(静阵风荷载)中刚度结构：平均风荷载+脉动风荷载+强迫力荷载小刚度结构：平均风荷载+自激力荷载+脉动风荷载+强迫力荷载问题：①脉动风荷载能否与强迫力荷载叠加？②自激力荷载与强迫力荷载如何叠加？同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.3等效风荷载表述(1)大刚度结构(3)小刚度结构(2)中刚度结构)(~)()()(~)()()(~)()(000000000000xWxWxWxWxWxWxWxWxWzzzzzyyyyynriiinrziziizzzzznryiyiiyyyyyxrxWxWxWxrxWxWxWxrxWxWxW100001000010000)(~)(~)()()(~)(~)()()(~)(~)()(nryiyiinryiyiiyyyyyxrxrxWxWxW110000)(~)()(~)()(同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.4强迫力和自激力荷载(1)强迫力荷载—背景响应荷载，主要是脉动风功率谱密度的贡献—共振响应荷载，主要是结构自振惯性力的贡献设计风速应取：U=Ud(2)自激力荷载—共振响应荷载，结构发生共振时的惯性力设计风速应取：U=Ulock-inyiryibyi~~~)(~xyib)(~xyiryiryiryibyi)(xyir同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.5模态荷载方法(1)荷载组合系数原理—不是所有模态都达到峰值UWO方法：取一阶模态：r1=1.0取二阶模态：r1=r2=0.9取三阶模态：r1=r2=r3=0.8取四阶模态：r1=r2=r3=r4=0.7取五阶模态：r1=r2=r3=r4=r5=0.6同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.5模态荷载方法(续)(2)对称结构方法—所有对称模态的贡献，而不是第一阶对称模态的贡献—所有反对称模态的贡献，而不是第一阶反对称模态的贡献)(~)(~)(~)()()(~)(~)(~)()()(~)(~)(~)()(000000000000xxxWxWxWxxxWxWxWxxxWxWxWaassazazszszzzzzzayaysysyyyyyy),,(~zyksk),,(~zykak同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.6动力荷载确定(1)荷载分布形式标准化—对称荷载标准化成最大值为1—反对称荷载标准化成最大值为1)(xsk)(xak(2)荷载峰值系数—对称和反对称强迫力荷载风致系数—对称和反对称自激力荷载风致系数aksk~~和aksk和必须通过风洞实验或理论计算确定同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.6动力荷载确定(续)(3)荷载峰值系数确定全桥模型试验法实测振动响应后反算峰值系数节段模型试验法实测振动响应换算后再反算峰值系数理论分析计算法基于气动参数的抖振或涡振荷载峰值系数同济大学土木工程防灾国家重点实验室5.设计风荷载问题(1)风荷载无法直接测量(2)动力风荷载通过响应用结构惯性力方法定义(3)风荷载各个组成部分之间关系及其叠加方法(4)风荷载各个组成部分的分布形态(5)定义风荷载还是定义结构响应(位移和内力)(6)完备的等效风荷载理论及其工程应用方法下周同一时间再见!同济大学土木工程防灾国家重点实验室