从不同的角度分析风对桥梁的若干影响

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1、从不同的角度分析风对桥梁的若干影响www.chinaqking.com期刊门户-中国期刊网2008-10-29来源:《中小企业管理与科技》供稿文/梁炳新[导读]风对桥梁的受力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个方面的制约。本文主要讲述了风对桥梁的静力作用及动力作用，其中详细分析了风对桥梁的动力作用。摘要：风对桥梁的受力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个方面的制约。本文主要讲述了风对桥梁的静力作用及动力作用，其中详细分析

2、了风对桥梁的动力作用。同时，对大跨度桥梁的风致效应估算与评价以及制振对策进行了探讨。最后给出了风对桥梁作用的研究中需要进一步探讨的几个问题。 关键词：风工程桥梁影响 随着交通运输业的发展，大跨度桥梁（斜拉桥和悬索桥）以成为当今桥梁建设中的主流，自80年代以来，大跨度桥梁建设得到了迅速发展。经调查发现，自1918年起至少已有11座悬索桥遭到风毁。其中一个典型的事故是1940年美国塔科马悬索桥在19/m的8级大风下因扭转而发散振动而坍塌。塔科马悬索桥的事故引起了桥梁工程界的震惊，也促进了风对桥梁作用的研究。近年

3、来，国内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越来越多。所有这些现象抖表明，风对桥梁的作用尤其时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。 一、风静力对桥梁结构的影响 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。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

4、形，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。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。 在考虑风对桥梁的静稳定性影响时，扭转发散是桥梁静稳定问题中最典型的一种。用线性理论方法研究桥梁的扭转发散时，认为桥梁扭转发散临界风速远高于桥梁颤振临界风速；但是随着桥梁跨度超出1000m以后，非线性效应逐渐增大，日本东京大学和同济大学

5、在全桥模型风洞试验中都在颤振发生前观察到扭转发散现象，这也是在大跨度桥梁的设计中应该注意到的一个问题。 二、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，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。 1、颤振颤振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

6、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，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，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。 桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有这密切关系

7、，通常来讲，主梁截面的流线性越好，气动稳定性越好。因此，在大跨度桥梁的初步设计阶段，有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化，以保证结构的抗风安全性。 值得指出的是，同一主梁截面在施工状态和成桥状态，在来流的不同情况下所发生的颤振形态也有所不同。对于扁平截面箱梁，施工阶段在水平来流条件下绕流较为平顺，通常发生的是弯扭耦合颤振，但在成桥状态安转了栏杆和隔离防栏后，则可能发生扭转颤振。同样，当来流具有一定夹角，截面在垂直于风向平面内的投影面积增大，因而使主梁钝化，也有可能发生扭转颤振。 桥梁弯扭

8、耦合颤振的临界风速与桥梁自振时的扭转频率与竖向弯曲频率之比有着密切的关系，且扭转频率比愈大则临界风速愈高，而扭转颤振则主要与桥梁的最低阶扭转频率有关，临界风速与之呈正比关系。总之，桥梁的抗扭刚度对于保证桥梁的抗风稳定性具有重要意义。 2、抖振抖振又称为阵风相应，它主要由大气中的紊流成份（即脉动风）所激起，是一种随机强迫振动。虽然是一种限幅振动，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