最新桥梁颤振理论课件PPT.ppt

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1、桥梁颤振理论8.1相关的基本概念桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的一些术语介绍如下：基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年最大风速。设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载。跨度较小、刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的动力风荷载作用。风的攻角：由于地形的影响

2、，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高风速时的平均攻角约在±3°之间。阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风荷载时应采用时距为1～3s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系数乘以设计基准风速求得。静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现一种不稳定的扭转发散现象。静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的

3、横向静风载超过主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。图8-1Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片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

4、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。一、风对桥梁作用的现象及作用机制表1　风对桥梁作用的现象及作用机制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

5、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。二、桥梁抗风设计目的和基本过程（1）桥梁抗风设计的目的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，

6、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。（2）桥梁抗风设计中的重要因素对于一般的大桥，初步设

7、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。（3）桥梁抗风设计的基本过程桥梁抗风设计的过程见图8-2。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

8、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图8-2桥梁抗风设计过程8.3风对桥梁的静力作用一、作用在桥梁结构上的平均风荷载1.主梁静力三分力及静力三分力系数yxFLFVMZFDFHo风体轴坐标系和风轴坐标系αa升力力矩式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，为气流的动压。CH、CV、CM分别为主