浅谈风荷载对桥梁结构影响

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1、浅谈风荷载对桥梁结构的影响121210104罗余双摘要：风荷载是桥梁结构设计需要考虑的重要内容之一。本文先分析了风荷载的静力作用和动力作用对桥梁结构的影响，然后考虑桥梁结构进行抗风设计的主要影响因素，并给出了桥梁结构抗风设计的主要流程。关键词：桥梁、风荷载、抗风设计TheImpactofWindLoadontheBridgeStructure121210104LuoYushuangAbstract:Windloadisoneoftheimportantcontentsofthebridgestructuredesignneedstoconsider.Atfirst,this

2、paperanalyzesthestaticeffectanddynamicwindloadeffectontheinfluenceofthebridgestructure,andthenitconsidersmaininfluencingfactorsofwindresistancedesignofbridgestructure,givingthebridgestructurewindresistancedesignofthemainprocess.Keywords:Bridge、Windload、Wind-resistancedesign一、风荷载对桥梁结构影响研究的必

3、要性桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的DryburghAbbey桥首先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉，造成75人死亡的惨剧。但直到1940年，美国华盛顿新建成的TacomaNarrows悬索桥，在不到20m/s的风速作用下发生了强烈的振动并导致破坏（见图1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。现代桥梁抗风研究自此开始。众所周知，桥梁是一种在风荷载作用下容易产生变形和振动的柔性结构，而且桥梁一般修建在江河、海峡等风速较大的区域。故此，抗风设计是桥梁结构设计的重要内容之一。为避免此类惨剧就必须要把风荷载对桥梁结构的影响降到最

4、低，而有效抵抗和预防风荷载对桥梁结构的影响的一大前提，就是清楚的把握风荷载对桥梁结构的影响。图1被风摧毁的TacomaNarrows悬索桥二、风荷载在桥梁上的作用效应1.风对桥梁作用的现象及作用机制：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

5、相互作用的机制使得问题更加复杂。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。表1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涡振旋涡脱落引起的涡激力作用振动驰振单自由度自激力的气动负阻尼效应——阻尼驱动发散振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2.风的静力作用假定在平均风速的作用下，结构保持静止不动

6、或者其振动不影响空气力，此时的定常(不随时间变化)反应称为风的静力作用。2.1桥梁结构对风的静力作用的响应当气流以恒定不变的流速和方向绕过假定为固定不动的桥梁时，就形成了一个定常的流场。这样，空气对桥梁表面的动压力的合力——空气的作用力也是定常的。由于桥梁结构是一个水平方向的线状结构，流场可近似地看做是二维的。此时，空气作用力可分解成阻力、升力和升力矩3个分量，如图2所示。图2风的静力分解图从图2可以看出，桥梁结构在风的静力作用下有可能发生主要由阻力引起的侧向风压荷载，有时也要考虑升力影响的强度问题，或产生可能由升力矩作用下引起的扭转发散，或出现在阻力作用下侧倾失稳（水平面

7、内的弯曲导致水平面的弯扭失稳）的稳定问题。因此，在桥梁的抗风设计中，需验算结构(特别是施工阶段的不利状态)在静风力作用下的安全性。2.2风的静力作用分析阻力、升力和升力矩的计算式分别为：阻力：升力：升力矩：式中：为气流的动压；A为桥梁的迎风投影面积；B为桥宽（桥梁顺风向的水平投影长度）；、、分别是各空气力分量的静力系数。空气静力系数与结构的风致振动也有密切关系，其斜率将决定与速度成正比的空气阻尼力的正负，由此即可判断截面的气动稳定性。桥梁断面的静力系数与截面形状、来流方向以及雷诺数有关。在桥梁结构中，除了圆形截面外