浅谈风对桥梁结构的影响

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1、浅谈风对桥梁结构的影响达21312174摘要桥梁结构因风的作用而遭到破坏的事故屡有发生。在风的作用下大跨度桥梁结构的抗风性能设计和施工的控制性因素尤其重要。通过结合桥梁风工程中己知的风的静力、动力特性，简述了桥梁结构在风作用下的静力及动力响应的主要形式以及大跨度桥梁设计时做的针对性的抗风设计。关键词桥梁风工程风致振动大跨度桥梁抗风随着我国交通运输业的不断发展，大跨度桥梁（特别是斜拉桥和悬索桥）已成为我国当今桥梁建设中的主流。从80年代以来，大跨度桥梁建设得到了一个迅速的发展。但，自1918年起全球至少已有11座悬索桥遭到风的影

2、响而受损被毁。其中一个典型的事故是1940年美国塔科马悬索桥在19m/s的8级大风下因扭转而发生振动而坍塌。塔科马悬索桥的事故引起了桥梁工程界的震惊，也促进了风对桥梁结构作用的研究。近年来，国外大跨度斜拉桥梁在下雨时发生剧烈的“雨振”以及并列布置的斜拉索发生剧烈的尾流驰振的报道也是越来越多。这些现象都表明了，风对桥梁结构的影响尤其是风对大跨度桥梁的动力作用是桥梁中不容轻视的重要问题。我们都知道风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象。它同时受到风的自然特性、桥梁的动力性能以及风与桥梁相互作用等3方面的制约。而且风在绕过一般为非流线型

3、作用截面的桥梁结构时，会产生旋涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力。当桥梁结构的刚度较大时，结构会保持静止不动，使得这种空气力的作用只相当于静力作用。但当桥梁结构的刚度较小时，结构振动受到激发，这时空气力的作用不仅具有静力作用，而且具有动力作用。1风的静力作用当结构刚度较大因而几乎不振动，或结构即使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即风的静力作用。风的静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应。我们可分为顺风向风力、横风向风力

4、和风扭转力矩。它们通常被称为气流作用力的三分力，风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用于桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要的计算对象。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。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，另外

5、对于升力较大的情况，也需要考虑竖向升力对结构的作用。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，其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳向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。1风的动力作用大跨度桥梁，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，更主要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。颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。风的动力作用指桥梁结构在风作用下的空气弹性动力响应，它一般可

6、分为两大类：第一类，自激振动。在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。若颤振和弛振达到临界状态时，将出现危险性的发散状态。第二类，强迫振动。结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，由于脉动风的随机性质，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应（阵风响应）称为抖振。涡激振动虽然带有自激性质，但它和颤振或驰振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种限幅的强迫振动，故该类振动具有两重性。此外，大跨径斜拉桥中的长拉索在风雨共现气候条件下发生的所谓风

7、雨振现象，常常引发拉索的大幅振动，有时还会激起桥面的振动，对桥梁的安全构成严重威胁。2.1颤振所引起的发散振动；尾流弛振是一结构处于另一结构的尾流中由紊流尾流诱导产的振动。横流弛振是由升力曲线（或升力矩曲线）的负斜率所引起的发散性自激振动。这种负斜率使得振动过程中的结构位移始终与空气力的方向相一致，从而源源不断地吸收能量，造成类似颤振的不稳定振动。横流弛振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体系桥梁结构中的拉索和吊杆最有可能发生横流弛振。横流驰振研究中最常用的方法是DenHartog提出的单自由度线性弛振理论

8、。根据这一理论，DenHar-tog提出了结构弛振失稳的判据。此外，Parkin-son提出了单自由度非线性弛振理论，Blevins建立了两自由度非线性弛振理论。当后一结构处于前一结构的尾流中时，后一结构由于受到前一结构波动尾流的激发而引起的振动称为尾流弛振。尾流弛振可以发生