风对桥梁的作用

风对桥梁的作用

赵会涛

（石家庄铁道大学，120147119 石家庄050043)

摘要：随着交通运输业的发展，大跨度桥梁(斜拉桥和悬索桥)已成为当今桥梁建设中的主流，也促进了风对桥梁的作用的研究。长期以来，在桥梁工程的设计中都没有充分重视风对结构的作用。历史上曾经出现过不少因空气静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳事故。风对桥梁的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方面的制约。工程上，常把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分，前者对桥梁的作用相当于静力荷载，后者则相当于动力荷载。风对桥梁的作用力分为竖向、横向和扭转3个方向，通常用风洞试验测得的静力3分力系数来表示。风对桥梁的动力作用包括抖振、涡振、驰振、颤振等，其中颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。 关键词：风静力；风动力；大跨度桥；风洞试验；减震措施 中图分类号：TU312 文献标识码：A

The wind effects on bridges

ZhaoHuitao

(Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang Railway Institute, 120147119 Shijiazhuang 050043)

Abstract:With the development of transportation, large span bridge girder ( cable-stayed bridge and suspension bridge ) has become the mainstream in bridge beam construction,also promoted the study of wind effects on bridges.Long-term since, in the bridge engineering design did not pay full attention to the wind effects on structures,History has seen quite a few because of air static, dynamic load caused by the bridge collapse.The wind effects on bridges is a very complicated phenomenon.It has the characteristics of the wind, the structural dynamic characteristics and wind structure interaction between three side constraint.Project, often take the natural wind decomposition for the time-varying mean wind and the change over time of the fluctuating wind part two, the former effects on bridges equivalent static load. The latter phase when in power load.Wind force on bridge is divided into vertical, lateral and torsional directions in 3, usually with wind tunnel test measured static 3 coefficients to represent. The dynamic effect of wind on bridge including the buffeting, VIV, galloping, flutter, flutter and buffeting is one of the main two kinds of dynamic stability problem.

Keywords:Wind force；Wind power；Large span bridge；Wind tunnel test；Shock absorbing measures

引言

随着交通运输业的发展，大跨度桥梁(斜拉桥和悬索桥)已成为当今桥梁建设中的主流，上海东海大桥建设已经拉开了中国建设跨海长桥的序幕；苏通大桥和上海卢浦大桥给中国桥梁界冲击超千米斜拉桥和拱桥的记录提供了机会；上海崇明隧桥工程中的亮点是成功地采用连续结合梁以避免钢箱梁桥面铺装的耐久性

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难题。1940年秋，美国塔科马悬索桥建成4个月就在19m/s的8级大风下因扭转发散振动(扭转颤振)而坍塌。在为调查这一事故而收集的桥梁风毁资料中，人们还发现，自1818年起至少已有11座悬索桥遭到风毁。塔科马悬索桥的风毁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。

长期以来，在桥梁工程的设计中都没有充分重视风对结构的作用。历史上曾经出现过不少因空气静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳事故。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象。它受到风的特性、结构

问题；而舟山连岛工程的西堠门大桥则面临着抗风的作者简介：赵会涛，硕士研究生 收稿日期：2015-06-25

的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。自然风是一个在时间上随机变化，在空间上不均匀分布地量。从强风的实测时程来看，它由周期在10 min以上的长周期分量和周期仅约几秒钟的短周期分量组成。工程上，常把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分，前者对桥梁的作用相当于静力荷载，后者则相当于动力荷载。

一 风静力的影响

风对结构的静力作用可用静风荷载来描述，而静风荷载又有静风压或静风力两种常用的表示方法。静风压是指由于风的空气动力效应引起的、作用在静止结构表面单位面积上并与结构表面垂直的压力(正)或吸力(负)，单位为Pa，也即N/m2。如不作特别说明，这里所说风压均是指由风引起的超出无风时环境压力的部分。对于处在风场中的建筑物，不仅其外表面要受到风压的作用，而且由于建筑物不可能完全封闭，因此其内表面也会受到一定的风压作用。而对于敞开式的建筑物结构或构件(如体育场的屋盖、建筑入口处的雨篷、设有大面积入口的大型厂房等)，相应的结构部件的上下表面都将受到较大的风压作用。结构上下或内外表面的风荷载可能是同向的，也可能是反向的，设计时应考虑它们的综合作用。对结构表面一定面积上静风压进行积分就得到静风力。

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一种静力荷载。风对桥梁的作用力可分为竖向、横向和扭转3个方向，通常用风洞试验测得的静力3分力系数来表示。

桥梁在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，按此规律变化的风荷载可能引起结构的失稳状态为横向侧倾失稳或扭转发散。另外对于升力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及在静力扭矩作用下主梁扭转引起的扭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。如前所述，大跨度悬索桥的结构行为始终是非线性的，不仅

随着桥梁跨度的增大，结构的几何非线性会越来越显著而且风荷载也随结构变位而呈现非线性特征。

二 风动力对桥梁结构的影响

风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引起高层建筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承重桥梁、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，产生动力荷载，甚至引起破坏。结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚度(或柔度)、阻尼和质量特性。不同的外形将引起不同的风致动力荷载。结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。结构的阻尼由多种因素产生，如结构材料内耗或部件之间的机械摩擦、结构和基础之间的相互作用、结构自身的质量、外部吸能装置等，结构的阻尼越高，其风致振动的影响也就越小。风致振动的减振措施研究一般也是从这四方面着手。

除了上述结构本身特性外，结构的风致振动与来风的特性有关，例如，来风的紊流尺度越大、紊流度越高，结构的随机风致响应就越大，当来风的风速脉动卓越频率与结构的固有频率接近时，将会产生很大的共振响应。然而，对于细长的结构，紊流使风的空间相关性降低，也会使旋涡脱落的规律性变差，从而会减轻涡激共振等某些类型的风致振动响应，提高颤振、驰振等的临界风速。此外，由上游结构或自它障碍物对来流的干扰会使来流风速产生显著的脉动，例如，钝体绕流或圆柱体的旋涡脱落均会在其下游所产生高紊流度的、具有显著横风向流动的尾流，这种现象称为气动不稳定性。当一个结构，特别是柔性结构遭遇气动不稳定性现象时，就可能会产生突然的振动，结构的振动反过来又会改变其绕流形态和风荷载的特性，进一步又会影响结构的振动特性。这种结构振动和风之间的相互作用机制被称为气动弹性，而这种现象被称为气动弹性现象。由于气动弹性效应使得结构的振动幅度越来越大的现象被称为气动弹性失稳，此时振动系统具有负阻尼。

按照风致动力荷载性质，结构的风致振动可分为随机振动和确定性振动，根据荷载的成因又可分为强迫振动和自激振动，按振动的性质又可分为限幅振动和发散振动。这里所谓的“自激”是指作用在结构上的风的动力荷载由结构运动和风之间的相互作用所产生，即由气动弹性效应产生。

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，还需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。风对桥的动力作用包括抖振、涡激振、流风场的随机性，因此抖振属于振动的范畴，必须要用随机振动的方法来研究。

对抖振的研究表明：随着桥梁跨度的增大，结构的柔性增加，抖振也会相应增大；且随着风速的增大，驰振、颤振等，其中颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。 1颤振

颤振是一种发散性的自激振动，也可以理解为一种气动失稳现象，是最具破坏性的一种风致振动现象。处于风场中的振动结构和气流之间存在着强烈的相互作用，即气弹效应，使结构和气流之间产生了能量交换。当风速超过某一值时，结构将不断地从气流中吸取能量来补充被结构阻尼所消耗的能量。当风速继续增加而超过一个临界值(即临界风速)时，结构以振动方式从气流中吸取的能量将大于被结构阻尼所消耗的能量，从而使结构的振动处于负阻尼的发散状态而发生颤振。颤振可以分为两类:一是扭转颤振(Tortionl Flutter)，美国塔科马悬索桥即是因为其主梁为流线性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(Heaving Flutter)，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。

发生颤振的必要条件是：结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位相差，因而使振动的结构有可能从气流中吸取能量而扩大振幅。除了能量输入外，还必须有一定的相对气流速度才能发生颤振。在速度较低的情况下，结构所吸取的能量会被阻尼消耗而不发生颤振，只有在速度超过某一值时，才会发生颤振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，则结构维持等幅振动，与此状态对应的速度称为颤振临界速度v(简称颤振速度)。当气流速度跨越颤振速度时，振动开始发散。因此，桥梁抗风设计时必须对桥梁进行颤振分析，确定临界颤振风速和振动特性。颤振分析时，可以采用Scanlan的颤振理论，首先用节段模型风洞试验测量气动导数，引入运动方程，进行三维颤振分析，然后进行全桥模型风洞试验，对临界颤振风速和振动特性进行验证。 2抖振

抖振(Buffeting)是一种由于来流中的紊流或风速脉动引起的随机强迫振动，任何处于自然风场中的柔性结构物都不可避免地发生或大或小的抖振。由于紊

抖振相应振幅及结构内力会成倍增大。因此，对于设计风速较高跨度较大的各式桥梁，尤其对于大跨度斜拉桥和悬索桥，抗风设计中必须对抖振响应进行验算。

和其他风致振动一样，也必须注意桥梁在施工阶段的抖振问题，且对于采用悬臂法施工的斜拉桥或连续刚构桥，其施工最大的双悬臂阶段通常是一最不利状态。此时主梁易于发生竖摆振动(主梁像刚体一样绕塔轴或墩在水平面内移动)，且抖振响应较成桥状态的要大得多，可能称为这类桥梁抗风设计中的控制性因素。 3涡激振

涡激振是一种具有强迫和自激双重特性的自限幅风致振动现象，由于气流绕经结构表面时所产生的以某一固定时间间隔有规律地脱落的旋涡引起。

当气流绕过结构时会在结构两侧背后尾流中产生交替脱落的旋涡，使结构表面的压力产生周期性的变化，从而在结构上产生周期性的横风向、顺风向、静作用力和静扭矩，即涡激力。

当风速达到一个适当的值时，涡激力或力矩的频率接近于结构的某一固有频率，从而激发结构的涡激共振。一旦结构开始共振，结构的振动幅度会显著增大，结构运动与气流之间会产生强烈的相互作用，即气弹效应。这种效应会使旋涡脱落频率被结构机械频率所控制，并被“锁定”在结构的固有频率附近，即在一定的风速范围内涡脱频率不再随风速而变化，这 就是所谓的涡激共振锁定现象。

涡激振(vortex-induced)是一种较低风速下发生的有限振幅振动；只在某一风速区间内发生；最大振幅对阻尼有很大的依赖性；涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动。

涡激振动有以下抑振措施：结构措施：增加结构的刚度即提高结构的固有频率能相应地提高涡激共振的临界风速；另一方面，在相同的条件下，增加结构的质量能减小结构涡激共振的振幅，但通常质量的增加会导致频率的下降，从而使得涡激共振临界风速相

应降低，此外频率下降也会导致桥梁断面颤振性能的恶化。

气动措施：由于涡激响应有对气动外形十分敏感的特点，因此可以通过设置或调整桥梁的附属结构以 改善其抗涡振性能。由于气动措施的机理目前尚不清楚，因此只能依靠风洞试验或CFD计算来确定各种气同。

(5)风雨振。伴随着降雨,在某种风向风的作用下雨水沿斜拉索下流时的水道改变了拉索原来的截面形状,从圆形异化为类似于结冰电缆的三角形,这种使拉索成为空气动力不稳定的形状,在一定的临界风速下激发出类似结冰电缆的弛振,这种振动称为雨振。

动措施对涡激响应的影响。此外，在调整桥梁断面的气动外形时，通常要综合考虑对其他风致振动如颤振的影响，避免降低涡激响应的同时放大其他风致振动。气动措施主要有平板隔流、增加风嘴、增设导流板以及调整检修轨道等辅助设施位置。阻尼措施：涡激振动对阻尼相当敏感，阻尼的增加不但可缩短风速锁定区，而且会明显降低涡振振幅，因此增加结构的阻尼可以有效地抑制涡振。阻尼措施其力学机理清楚，不与其他风振响应矛盾，但与气动措施相比，阻尼措施造价昂贵且不便于维护。目前用于桥梁主梁结构振动控制的阻尼器主要有调质阻尼器与调液阻尼器。 4拉索的风致振动

随着斜拉桥跨径的增大,斜拉索的风致振动也越来越引起桥梁工程界的广泛关注。斜拉索风振不仅由于振动产生交变应力,引起斜拉索疲劳损伤,而且会使拉索根部的钢护管产生疲劳破坏,护管封口松动,导致锚头等处积水,加速拉索腐蚀,最终大大缩短斜拉索使用寿命。拉索风致振动的机理很多,现认识到的有以下几种。

(1)涡激振动。当风流经圆形的拉索时,在其尾流中将出现交替脱落的旋涡。当拉索的卡门脱落的频率接近索横风向振动的某阶固有频率时,将激起拉索该阶频率的横风向振动。由于拉索的基频较低,相应的涡振风速也小。一般观察到的都是3阶以上的涡激共振。

(2)尾流弛振。当拉索在来流风方向前后排列时,在前排拉索的尾流区形成一个不稳定弛振区,由于前后拉索的固有频率相近,如果后排拉索位于弛振区内其振幅就会不断加大,直至达到一个稳态大振幅的极限环。

(3)参数共振。当桥面的振动颇率和拉索的局部横向振动频率接近倍数关系时,桥面的微小振动会激发大振幅的低阶拉索振动。

(4)结冰索的弛振。索表面结冰而形成弛振不稳定气动外形,引发拉索弛振,它与结冰电缆的弛振机理相

三 有待进一步研究的问题

1桥梁断面颤振导数识别研究

桥梁风致振动中的颤振及颤振导数概念源于飞行器的气动弹性力学。有关的理论及试验技术，在航空界已是非常成熟。但是，由于桥梁断面不像机翼那样总是一面迎风，而是上下游都可能迎风，因而不可能制成机翼形状的完全流线型截面。因荷载与施工方法不同，桥梁断面形状变化大，有桁梁、箱梁、开口边主梁等多种形状。有些截面已是完全的钝体。由于上述原因，桥梁截面的颤振导数识别问题，仍有许多问题有待研究和解释，例如，颤振导数识别结果呈现较大的波动性，试验重复性也不好等等。用颤振导数表示气动自激力的基本假定是气动自激力是颤振导数的线性函数。通过节段模型风洞强迫振动试验发现，及时在小幅振动下，钝体桥梁截面的气动自激力也已呈现非常明显的非线性性质。对这样的截面，用一个颤振导数的线性函数去逼近真实的气动力，自然有本质上的困难，容易导致识别结果的不稳定以及不同识别方法之间的显著差别。

桥梁断面气动导数的识别仍是桥梁结构抗风研究的一个热点课题。

2桥梁断面的气动导纳识别试验研究

桥梁断面气动导纳试验研究识别仍是一个十分难的课题，而且气动导纳识别对于分析桥梁结构抖振响应又十分重要。目前是桥梁结构抗风研究的一个热点，也是一个难点。

桥梁断面气动导纳是反映桥梁结构所对应的风速与作用于其上的抖振力之间关系的函数，受桥梁断面形状、气流分离以及来流脉动等因素的影响，同时如果从风洞试验实测气动导纳，则还与模型自身的振动频率有关。

3桥梁断面的雷诺数效应试验研究

桥梁断面的雷诺数效应对大跨度桥梁结构的气动参数影响十分重要，并受到许多研究者的关注。国内

外的研究表明，近流线型闭口扁平箱形断面的风洞试验结果受到雷诺数效应的影响。Normandy桥三种比例模型测力试验发现雷诺数效应使得三种比例模型的三分力系数曲线不重合。A.Larsen和G.Schewe等人证实了雷诺数效应GreatBeltEastBridge引桥风洞试验与实桥施工时的涡振发生风速Srouhal数不一致的主要原因。Y.Kubo研究H 型断面以及日Ikara桥断面的误差变异系数为0.05-0.15；在对试验模拟误差变异系数为0.05；气动导数的模拟误差主要是由于紊流所引起的，美国学者Y.K.Lin认为紊流风场中气动导数与均匀流场中的气动导数的差异在0.15以下，并通过试验验证，气动导数的流场模拟误差的变异系数为0.05-0.15。另外，影响气动导数的另一个主要因素为气动导数的识别技术。综合以上三个相互独立的随机Strouhal数与雷诺数的关系，发现Strouhal数对雷诺数依赖性是明显的。同济大学李加武、林志兴、项海帆等人在对近流线型断面的系列研究中发现，无论是近流线型还是钝体断面都存在雷诺数效应，不同形状断面的雷诺数效应的规律是不同的。因此，雷诺数效应应在大跨度桥梁抗风设计中是需要考虑的。 4桥梁断面气动参数的不确定性试验研究

桥梁抗风设计的主要目的是确保桥梁结构的抗风安全，而影响桥梁结构抗风性能的诸多因素具有不确定性。而其中，关于风与结构相互作用的不确定性主要可以从结构的三分力系数、斯托罗哈数以及气动数几个方面来考虑。

对于大跨径桥梁而言，主梁三分了系数、桥塔阻力系数以及主缆阻力系数对桥梁的安全性具有重要的影响，影响桥梁与其他结构空气力系数的因素范围和设计面较广，与结构的型体、姿态、气流和构造物的状态。

对于比较宽、具有流线型的桥梁断面，气流在断面迎风侧发生分离后还可以再附现象，因而导致主梁三分力系数对雷诺数十分敏感。影响桥梁三分力系数测试精度的主要因素有：端部效应、表面粗糙度以及紊流度。通过采用不同几何缩尺比模型试验来研究这些因素对主梁断面三分力系数的影响，研究显示三分力系数的变异系数为0.05。尽管目前结构动力学发展十分迅速，但对于气动参数的变异性研究还是不多。

关于气动导数的变异性葛耀君教授进行了研究，从气动导数的试验测量方法入手，将气动导数的误差分为三个相互独立的随机变量来描述，即试验误差、模拟误差和流场误差。试验误差是指由同一座桥在相同的实验室内反复试验以及同一座桥在不同的实验室重复试验得到的。葛耀君教授针对不同流场、不同频率和不同风速对气动导数的影响，进行了风洞试验测试，得到了30个试验样本；研究显示气动导数的试验

变量系数，可以得到气动导数的变异系数为0.20。

通过风洞试验来研究桥梁结构的气动参数的变异性对大跨度桥梁结构的抗风设计十分重要，是桥梁抗风设计方法由确定性向不确定性过度的基础，也是桥梁结构抗风研究的一个重要课题。

四 结语

风对结构的作用不仅仅是静力问题，对于大跨度柔性桥梁，各类风致振动更是抗风设计中的主要内容。此时，主梁截面或构件的气动选型与优化、风致振动的形态响应估计，以及是否需要采取制振措施，采取何种措施及制振效果的评价等，除了理论分析外，更主要的必须通过模型风洞试验予以确定和验证。

我国的桥梁风工程研究经过70余年的努力，经历了20世纪80年代的“学习和追赶”和20世纪90年代的“提高和紧跟”两个阶段，已取得了长足的进步。通过对国内数十座大桥的抗风研究和风洞试验的实践，可以说我国的水平已进入了世界先进行列，也得到了国际风工程同行的认可。大跨度桥梁是我国桥梁的发展方向，因此在大跨度桥梁的抗风设计时，除理论分析之外，更主要是通过模型风洞试验予以确定和评价。最后指出了桥梁断面的气动导纳识别试验研究，桥梁断面气动参数的不确定性试验研究和桥梁断面的雷诺数效应试验研究这三个研究课题。

参 考 文 献

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