高墩大跨连续刚构抖振时域分析

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1、§1．1大气边界层内自然风特性研究空气的流动形成风，大气边界层内的风由于地表的地形起伏和各种障碍物的影响，使得靠近地面的风的流动发生紊乱，并形成从地表到梯度风高度间逐渐拉宽的风速剖面，而剖面顶端的风速就是基本保持不变的梯度风风速。从风速仪的实测记录中可以看出，风速的时程曲线中包括两种周期性成份：一种是周期T>lOmin的长周期成份，另一种是T仅几秒的短周期脉动。在工程上，常将风速处理为平均风速和脉动风速的叠加。平均风速的选取依赖于所考虑的时间间距的长短：一般来说，时距越短，平均风速越大，也就越接近于瞬时风速。而脉动风速是随时间和空间都不断变化的随机变量，在实用中风的脉动

2、经常被看作各态历经ro

3、1的平稳随机过程来考虑““。1,1．1平均风速和脉动风速的概念风速的变化是随机的，但同时也遵循客观统计规律。在风速时程曲线中，最大瞬时风速时有发生。平均风速是在充分考虑风的时程特征基础上，在一定的时间间隔内风速的集合平均值。它虽然不能很好体现出瞬时最大风速的效应，但首先考虑到结构物都具有一定的体积和质量，最大瞬时风速不可能同时发生在全部长度上，取用一定的时间间隔实际上间接地反映了空间的平均，是符合实际情况的：另一方面，结构物自身都存在一定的阻尼，形成对结构物的破坏性风振需要一定的能量积累时间，瞬时的风速极值往往由于响应的滞后而遭到弱化，因此取用适

4、当的时距也是必要的。通过对风速时程的研究，时距取为2分钟到2小时，平均风速基本上是稳定的，脉动能量很小。时距过短，将突出风速脉动峰值的作用，时距过长，则风速的长周期成份也被平均掉了。我国公路桥涵设计规范规定采用lO分钟平均风速作为设计基本风速，是较为合理的。其他国家的风荷载规范也大部分取为10分钟时距的平均风速作为设计基本风速。一般来说，设计基本风速主要依赖于平均时距、地表粗糙度类型、结构离地面高度(或结构在风速剖面中所处的位置)以及表征桥梁重要性程度的重现期系数等参数的选取，这些因素将在下节中详细阐述。脉动风速是风速中的动力成份，对于强风，其瞬时最大风速是随机出现的，

5、而且每次出现的强度也不尽相同；这也同时体现了近地风受地表粗糙度影响所具有的紊乱性和随机性。如果忽略风速记录初始阶段的严重非平稳性区域，脉动风吣争亿”1．1．2．2、设计基准风速桥梁结构的设计基准风速是指桥面高度处的10分钟平均最大风速，它是在基本风速基础之上，通过考虑高度以及地面粗糙程度的影响而得到的。若假定在大气边界层内，风速的垂直分布服从幂指数规律，则桥梁结构的设计基准风速可以表达为：玑；(§)。‰(1．4)其中：z为桥面离地高度：a为表征地表粗糙度影响的幂指数，地表条件越复杂其值越大，风速剖面也因而拉宽。系数口的具体取值，见表(1．1)表1．1地表粗糙度分类及相关

6、参数取值地表粗糙地表状况描最小计算高度梯度风高幂指数地面粗糙度类别述度高度Z。(m)Z，(m)aZ。(m)I海上、海岸2300O．12O．Ol农地、田园平坦开阔地树II木及低层建43500．16O．05筑物稀少地区树木及低层建筑物密集地区中高层Ⅲ8400O．22O．30建筑物稀少地区平缓的丘陵中高层建筑物密集地区Ⅳ16450O．301．OO起伏较大的丘陵地若介入摩擦速度的概念，采用相似律模型，则桥梁结构的设计基准风速还可表达为：卟2．s岫㈥∽¨，”为。·1．6)I气／其中：U．为气流摩擦速度，也称作剪切速度：K=0．4为无量纲常数：zo为地面粗糙高度，它的定义如下：在大

7、气边界层上空梯度风高度处，平均风速几乎不受地面粗糙度的影响，由此梯度风高度处的平均风速按该地区的地表粗糙度类别口反向求得平均风速为零处的高度，即为地面粗糙高度Z。：各类地表的粗糙高度也一并列于表(1．1)中‘蜘。在表(1．1)中，也同时列出了各类地表的最小计算高度Z。的建议取值，这主要是为了对风速的取值制定一个下限。具体应用如下：％(z)一u(z。)当z．cz。时啡)；(孟)4U10当zm啪2‰时(1．z)对于在初步设计阶段的大跨度桥梁或跨径相对较小的桥梁，也可以采用瞬时阵风风速u珠计算结构中的风载内力。阵风风速U。定义为平均时距卜3秒的瞬时最大风速，当缺乏阵风风速数据

8、时，可在桥梁设计基准风速的基础上，采用等效UgtGⅣd(1-8)％，lpu；G。(1．9)其中：G，为等效阵风风速系数，同风速发生的高度以及地表类型有关：G沩等效阵风风压系数，G。=G?。“一0．84Ud(1．10)1．1．3风速的脉动特性研究风速中脉动成份的存在，使得刚性结构及构件要承受脉动的随时问变化的荷载，同时也将引起柔性结构的共振放大效应。脉动风对于桥梁结构的颤振、驰振等自激形式的振动和抖振、涡振等限幅振动都有较大的影响。随机变化的风速脉动成份可用紊流强度的大小、紊流的积分尺度、紊流的功率谱密度函数和紊流的空间相关等特性进行描述。