桥梁抗风概念设计 PPT
• 桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因 此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构 响应。
• 风致振动是研究的重点和难点。 汽车：风阻系数 建筑：风荷载，风致振动（舒适性） 桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易
振动
高跨比： 苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥 3.51/1650=1/470
• 至1950‘年代：建立气动弹性力学基础 Wagner，Theodonson，Sears， • 1960’年代：
桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国） 桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan • 1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计 • 1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度 1991m的明石桥 • 1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国
11.9米，梁高2.4米 • 宽跨比1：72，高跨
比1：350 ！！ • 主梁截面形式：
H型板梁
旧塔科马海峡桥风毁事故
• 原因：扭转颤振－风致自激发散振动 • 教训：桥梁要有空气动力稳定性。 • 途径： （1）主梁良好的气动外形 （2）保证桥梁扭转刚度 （3）风洞试验， （4）建立桥梁抗风理论
发展简史
• 基本思路：
本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效 应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的 和自激的。
• 基本方法：理论分析，风洞试验，CFD
往往需要多种方法的综合应用与相互校核
• 重要假定：条带假定：
等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等
• 主要对策
(4) Buffeting 抖振
• 机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动
• 有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行 车安全
• 因振幅小，难见实桥抖振录像 • 双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！！
抖振－全桥气弹模型试验
湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验
(5) Divergence 静力失稳
微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）
近地风特性－风环境
在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流 度减少
四类场地：A,B,C,D 按地表粗糙度划分
基本风速 U 1 0 ：B类，10m高，10min平均，百年一遇，
桥面高度Z的设计风速
Uz
U10
( Z ) 10
,
指数 对A,B,C,D四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30
桥梁抗风设计方法与工程应用
2012年6月
目录
1. 起源与历史 2. 桥梁风致振动的类型 3. 桥梁风致振动基本理论与抗风设
计方法 4. 工程应用实例
起源与历史
桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故
• 位于美国西北的华 盛顿州
• 1940年3月通车， • 1940年7月风毁，
风速18 米/秒。 • 主跨853米，桥宽
基本特征： •扭转与弯曲复合振动，扭转为主 •发散的自激振动 •均匀流场即可发生 •可能有明显的临界风速点
全桥颤振－tacoma桥
大幅度扭转振动
杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振
2006年8月，广东一拱桥 在24m/s风速下的振动录 像（田仲初摄）
连续振动13小时至吊杆的 翼板断裂
(2) Vortex shedding vibration 涡激共振
脉动风特性
紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范p46)
结构动力特性分析
fb
110 L
fb
0.1 L
Ec Ac m
C ft L
三分力
• 三分力－风荷载的三个分量（二维理论）
阻力，升力和升力矩： 是截面上分布压力的合力 与截面形状有关，与风攻角有关，与自身振动有关 静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有体轴和风轴两种坐标系
FV
V
α
MT
FH
风荷载在体轴坐标系下的三分力
静力三分力系数及其影响因素
• 无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的 静力风荷载的共同特征。
• 利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：
阻力
FH
1 2
U2CHD
升力
FV
1 2
U2CV
B
扭矩
MT 12U2CMB2
系数，CH，CV，CM
全桥气弹模型风洞试验
风荷载与风致响应的分类
3、桥梁风致振动的基本理论
与抗风设计方法
研究内容与特点
• 桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构 的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解 决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的 柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。
静三分力系数随攻角变化
(1) 驰振理论
• 当气流经过一个在垂直气流方向上处于 微振动状态的细长物体时，即使气流是 攻角与风速都不变的定常流，物体与气 流之间的相对攻角也在不停的随时间变 化。由气动三分力曲线可以看出，相对 攻角的变化必然导致三分力的变化，三 U 分力的这一变化部分形成了动力荷载， 即气动自激力。由于按相对攻角变化建 Uα 立的气动自激力理论，忽略了物体周围 非定常流场的存在，仍将气流看作是定 常的，因此这种理论称为准定常理论 （Quasi-Steady Theory）,相应的气动 力称为准定常力。
2、风致振动的类型
1. Flutter 颤振 2. Vortex shedding vibration 涡振（涡激共振） 3. Galloping 驰振 4. Buffeting 抖振 5. Divergence 静力失稳 6. Wake induced vibration 尾流致振
(1) Flutter颤振
• 机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡， 涡脱落时产生对柱体的作用力， 涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振
• 特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生； 弯曲或扭转
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
10跨连续刚构桥，主跨240米， 单箱钢梁，梁高 3～10米
Trans-Tokyo Bay Bridge
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
拱桥矩形吊杆涡振 （日本傍花大桥）
(3) Galloping 驰振
• 细长杆件的大幅弯曲振动 • 自激的发散的振动，最先在结冰输电线上
发现 • 可能发生在桥梁的：
斜拉索，吊杆，超高塔柱
斜拉索风雨振－驰振
随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构 阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。
• 机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作 用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳
同济大学提供
(6)尾流干扰
• 机理：气流依次流过前后两个柱体（串 列）而产生的相互干扰作用
• 效应：降低颤振临界风速； 产生涡振和驰振
尾流干扰实例－1: 赛车
即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发生 涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生
• 风致振动是研究的重点和难点。 汽车：风阻系数 建筑：风荷载，风致振动（舒适性） 桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易
振动
高跨比： 苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥 3.51/1650=1/470
• 至1950‘年代：建立气动弹性力学基础 Wagner，Theodonson，Sears， • 1960’年代：
桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国） 桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan • 1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计 • 1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度 1991m的明石桥 • 1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国
11.9米，梁高2.4米 • 宽跨比1：72，高跨
比1：350 ！！ • 主梁截面形式：
H型板梁
旧塔科马海峡桥风毁事故
• 原因：扭转颤振－风致自激发散振动 • 教训：桥梁要有空气动力稳定性。 • 途径： （1）主梁良好的气动外形 （2）保证桥梁扭转刚度 （3）风洞试验， （4）建立桥梁抗风理论
发展简史
• 基本思路：
本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效 应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的 和自激的。
• 基本方法：理论分析，风洞试验，CFD
往往需要多种方法的综合应用与相互校核
• 重要假定：条带假定：
等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等
• 主要对策
(4) Buffeting 抖振
• 机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动
• 有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行 车安全
• 因振幅小，难见实桥抖振录像 • 双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！！
抖振－全桥气弹模型试验
湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验
(5) Divergence 静力失稳
微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）
近地风特性－风环境
在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流 度减少
四类场地：A,B,C,D 按地表粗糙度划分
基本风速 U 1 0 ：B类，10m高，10min平均，百年一遇，
桥面高度Z的设计风速
Uz
U10
( Z ) 10
,
指数 对A,B,C,D四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30
桥梁抗风设计方法与工程应用
2012年6月
目录
1. 起源与历史 2. 桥梁风致振动的类型 3. 桥梁风致振动基本理论与抗风设
计方法 4. 工程应用实例
起源与历史
桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故
• 位于美国西北的华 盛顿州
• 1940年3月通车， • 1940年7月风毁，
风速18 米/秒。 • 主跨853米，桥宽
基本特征： •扭转与弯曲复合振动，扭转为主 •发散的自激振动 •均匀流场即可发生 •可能有明显的临界风速点
全桥颤振－tacoma桥
大幅度扭转振动
杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振
2006年8月，广东一拱桥 在24m/s风速下的振动录 像（田仲初摄）
连续振动13小时至吊杆的 翼板断裂
(2) Vortex shedding vibration 涡激共振
脉动风特性
紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范p46)
结构动力特性分析
fb
110 L
fb
0.1 L
Ec Ac m
C ft L
三分力
• 三分力－风荷载的三个分量（二维理论）
阻力，升力和升力矩： 是截面上分布压力的合力 与截面形状有关，与风攻角有关，与自身振动有关 静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有体轴和风轴两种坐标系
FV
V
α
MT
FH
风荷载在体轴坐标系下的三分力
静力三分力系数及其影响因素
• 无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的 静力风荷载的共同特征。
• 利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：
阻力
FH
1 2
U2CHD
升力
FV
1 2
U2CV
B
扭矩
MT 12U2CMB2
系数，CH，CV，CM
全桥气弹模型风洞试验
风荷载与风致响应的分类
3、桥梁风致振动的基本理论
与抗风设计方法
研究内容与特点
• 桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构 的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解 决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的 柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。
静三分力系数随攻角变化
(1) 驰振理论
• 当气流经过一个在垂直气流方向上处于 微振动状态的细长物体时，即使气流是 攻角与风速都不变的定常流，物体与气 流之间的相对攻角也在不停的随时间变 化。由气动三分力曲线可以看出，相对 攻角的变化必然导致三分力的变化，三 U 分力的这一变化部分形成了动力荷载， 即气动自激力。由于按相对攻角变化建 Uα 立的气动自激力理论，忽略了物体周围 非定常流场的存在，仍将气流看作是定 常的，因此这种理论称为准定常理论 （Quasi-Steady Theory）,相应的气动 力称为准定常力。
2、风致振动的类型
1. Flutter 颤振 2. Vortex shedding vibration 涡振（涡激共振） 3. Galloping 驰振 4. Buffeting 抖振 5. Divergence 静力失稳 6. Wake induced vibration 尾流致振
(1) Flutter颤振
• 机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡， 涡脱落时产生对柱体的作用力， 涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振
• 特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生； 弯曲或扭转
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
10跨连续刚构桥，主跨240米， 单箱钢梁，梁高 3～10米
Trans-Tokyo Bay Bridge
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
拱桥矩形吊杆涡振 （日本傍花大桥）
(3) Galloping 驰振
• 细长杆件的大幅弯曲振动 • 自激的发散的振动，最先在结冰输电线上
发现 • 可能发生在桥梁的：
斜拉索，吊杆，超高塔柱
斜拉索风雨振－驰振
随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构 阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。
• 机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作 用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳
同济大学提供
(6)尾流干扰
• 机理：气流依次流过前后两个柱体（串 列）而产生的相互干扰作用
• 效应：降低颤振临界风速； 产生涡振和驰振
尾流干扰实例－1: 赛车
即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发生 涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生
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桥梁抗震与抗风设计 第一讲
地震灾害与国策
地震对我国的危害性
邢台地震破坏现场 震级：7.2级 时间：1966年3月22日 死亡：8186人 损失：19.3亿元
2021/3/30
17
地震灾害与国策
地震对我国的危害性
海城地震破坏现场 震级：7.3级 时间：1975年2月4日 死亡：2041人 损失：17.5亿元
2021/3/30
群测群防工作：总则第八条规定，“国家鼓励、引导社会组织和个人
开展地震群测群防活动，对地震进行监测和预防”。由于我国的群测群 防已经实行了多年，群众把观察到的一些异常现象向地震工作部门报告， 可以弥补专业地震监测台网的不足，同时也有助于提高群众防震减灾意 识，有利于地震工作部门做好防震减灾工作。
2021/3/30
20
地震灾害与国策
地震对我国的危害性
江西九江地震破坏现场 震级：5.7级 时间：2005年11月26日 死亡：13人 损失：20.4亿元
2021/3/30
21
地震灾害与国策
地震对我国的危害性
四川汶川地震破坏现场 震级：8.0级 时间：2008年5月12日 死亡：8.7万人 损失：8451亿元
2021/3/30
发生9.0级地震。这次地震引起了巨大海啸，海啸共造成约37万人死亡，伤者 不计其数，直接经济损失估计数十亿美元，形成空前的海啸巨灾。
2021/3/30
5
地震灾害与国策
地震对人类社会的危害性
2005年巴基斯坦地震：2005年10月8日，克什米尔的印、巴控制区交界地
区突发7.8级地震，震中在巴控一侧的穆扎法拉巴德、巴格和曼瑟拉一带。在 巴控一侧死亡73276人，伤69000人，倒塌官民房屋244000套，严重损坏约20 万套，280万人受灾，直接经济损失折合达23亿美元。在印（印度）控一侧 死亡1600人，伤约5千人，近万套民房倒塌和严重破坏。
桥梁抗风基础讲解
20
桥梁风振概述 桥梁风振的研究方法
?理论分析
运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应 用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。
西奥多尔森(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论；斯 坎伦(Scanlan) 桥梁断面颤振理论；达文波特（ Davenport） 抖振准定常理论。
中南大学桥梁工程系
桥梁风振概述
武汉阳逻长江大桥成桥态
24
桥梁风振概述
安庆铁大桥
均匀流场（成桥无车状态）
桥梁风振概述
沪通铁路长江大桥
紊流场（ 成桥无车状态，模拟大气边界层） 27
桥梁风振概述
28
?现场观测
桥梁风振概述
实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤 其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况 录像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的 推动作用。
用各根索固有频率的不同所产生的干扰效应来传递能量以达到抑振的目 的
? 风雨振的发振机理目前还不是十分清楚，但上述两抑振措施被证明是 十分有效的。
? 风雨振发振对雨量、风向、风特性、索表面特性均有要求，制约因素 很多，因而目前实验室虽能再现风雨振，但对具体桥来说难以明确其 会否发生风雨振。
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
12
桥梁风振概述
13
桥梁风振概述
14
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
?气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象 。
桥梁风振概述 桥梁风振的研究方法
?理论分析
运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应 用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。
西奥多尔森(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论；斯 坎伦(Scanlan) 桥梁断面颤振理论；达文波特（ Davenport） 抖振准定常理论。
中南大学桥梁工程系
桥梁风振概述
武汉阳逻长江大桥成桥态
24
桥梁风振概述
安庆铁大桥
均匀流场（成桥无车状态）
桥梁风振概述
沪通铁路长江大桥
紊流场（ 成桥无车状态，模拟大气边界层） 27
桥梁风振概述
28
?现场观测
桥梁风振概述
实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤 其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况 录像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的 推动作用。
用各根索固有频率的不同所产生的干扰效应来传递能量以达到抑振的目 的
? 风雨振的发振机理目前还不是十分清楚，但上述两抑振措施被证明是 十分有效的。
? 风雨振发振对雨量、风向、风特性、索表面特性均有要求，制约因素 很多，因而目前实验室虽能再现风雨振，但对具体桥来说难以明确其 会否发生风雨振。
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
12
桥梁风振概述
13
桥梁风振概述
14
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
桥梁风振概述
?气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象 。
桥梁抗风概述(重庆大学)
桥梁风效应对比
塔科马大桥风毁原因
2、风洞法)
风洞实验
实
测
风洞试验模型最重要的三点要求： 弹性、质量、外形
风洞构造
风速边界层模拟方法
1、主动形成法：
调节控制风机
2、被动形成法：
风障、漩涡发生器、粗糙元
3、桥梁风振控制
驰振 绝对控制： 主梁风振失稳 颤振
主梁涡激振动 尽量控制：
拉索风雨激振
桥塔涡激振动
考虑控制：
主梁随机抖振
风振控制措施
颤振控制措施
驰振和涡振控制
驰振控制: 涡振控制: 提高结构阻尼比 施工时附加TMD、TLD或 TLCD阻尼器
4、港珠澳大桥抗风措施
Conclusion
That’s all. Thank you all very much!
作用机制
平均风的静风压产生的阻力、升 力、和力矩的作用 静（扭转）力矩作用 静阻力作用 紊流风作用 限幅振动 漩涡脱落引起的涡激力作用 自激力的气动负阻尼效应－阻尼 驱动 自激力的气动刚度驱动
静力不稳 定 抖振（紊流风响应） 涡振
扭转发散 横向屈曲
动力 作用
自 激 振 动
驰振 单自由度 扭转颤振 古典耦合振动 二自由度 发散 振动
桥梁抗风概述
塔科马大桥
目录
1
1、桥梁风效应
2、桥梁风洞实验 3、桥梁风振控制
4、港珠澳大桥抗风
1、桥梁风效应
桥梁结构风效应分类
风的静力作用
风的静力作用形式
风 扁平钢箱梁 L:升力
M:升力矩 风 扁平钢箱梁 D:阻力
风致静力失稳
静力扭转发散
如果在空气静力扭转力矩作用下，当风速达到临界值时， 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，而出现扭转角不断增大的静力失 稳现象。
桥梁抗风基础解读
塔科马桥毁的讨论
该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经验，其抗风压的设计对于60m/s 的风速都是安全的。然而对风致振动却几乎未加考虑。根据当时的技术 条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的 H 型断面。因此，1940 年刚刚建成通车后，每通稍强的风就显示出有风 振的趋势，但在头4个月内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约 1.5m后振动就衰减下来。运营几个月之后，随着跨中防止加劲梁和主索 间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作反对称 扭曲运动，在跨度l／4点出现从至的倾斜。发生了扭曲振动约l小时之后， 随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300m长的加劲梁坠入水中。
破坏十分巨大
16.1 ~ 50.9
51 ~ 160
161 ~ 509
510 ~ 1600
2019/2/17
17
风害VS震害
热带气旋灾害是最严重的自然灾害，因其发生频率远高于 地震灾害，故其累积损失也高于地震灾害 我国是世界上受热带气旋危害最甚的国家之一
1991年4月底在孟加拉国登陆的热带气旋曾经夺去了 13.9 万人的生命
幅逐步增大直至使结构破坏的发散性自激振动。
2019/2/17
29
风工程基本术语
驰振 glloping： 振动的桥梁从气流量不断吸取能量，使非扁平截
面的细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。
涡激共振 vortex resonance：气流绕经钝体结构时产生旋涡脱
落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时，由涡激力所激 发出的结构共振现象。
静力扭转力矩作用下，当风速达到临界值时，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，而出现扭 转角不断增大的失稳现象。
第十三讲桥梁抗风设计详解
桥梁及结构风振理论及其控制——之第十三讲桥梁抗风设计主讲教师：葛耀君博士．教授1、设计风速定义2、气动参数识别3、动力特性分析4、静风性能检验5、风振性能检验6、抗风性能改善7、抗风设计发展¾1.设计风速定义1.1平均风速()()()()果桥位专门风速仪纪录结计分析气象站历年风速纪录统桥梁和建筑结构不同全国基本风压图方法用三种方法确定参考风速，目前主要采—参考风速离地高度—地表粗糙度指数— 3 2 )( 1 R R R R d U z z z U z U αα⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1.2 阵风风速()()z U G z U d v g = 1.70.IV III 1.38;II I : .,G v 类和类和南》《公路桥梁抗风设计指风洞试验确定可按有关规范或风环境阵风因子— 1.3 紊流强度u w w w u v v v u u I 5.0I UI I 88.0I UI UI =σ==σ=σ=按—按—的数值可按规范确定特征高度—1.4 脉动风谱()()()())( 416 :)(501200 :22*3/52*谱垂直方向谱水平来流Panofsky f f u n nS Simiu f f u n nS w u +=+= 1.5 相关函数()21~7 exp , :=Δ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ−=Δλλλγ衰减系数，—空间相对位置坐标—特征频率—空间相关性r f U r f r f d¾2. 气动参数识别2.1 断面流迹显示2.2 Stroughl 数识别识别方法物理风洞试验方法数值风洞试验方法(CFD 方法)等压线、等速线、表面粒子(1) 烟雾照相(2) 数值模拟(1) 尾流涡脱卓越频率测量(2) CFD 数值模拟计算UfB S t =2.3 静力系数识别αραραρd dC F BU C d dC F B U C d dC F B U C M M M D D D L L L , : , : , :2221221221⋅=⋅=⋅=升力矩系数阻力系数升力系数(1) 节段模型测力试验(2) CFD 数值模拟计算三分力系数也可表示成体轴系数座标，Mz y C C ,C 和2.4 气动导数识别()()()6 5, 4, 3, 2, ,1 :6 5, 4, 3, 2, ,1 :6 5, 4, 3, 2, ,1 :===i A i P i H *i*i*i升力矩方向阻力方向升力方向(1) 节段模型测振试验(2) CFD 数值模拟计算大多数情况下气动导数值()4 321 **,, , i A H ii =和¾3. 动力特性分析3.1 结构计算模型(1) 按施工阶段划分(缆索承重桥梁)(a) 桥塔自立状态(b) 主要拼梁状态(c) 全桥成桥状态(2) 按主梁离散划分(a) 单梁式(b) 双梁式(c) 三梁式3.2 结构振型描述(1) 按对称性划分—对称和反对称(2) 按特征值划分—一阶、二阶、…(3) 按振动特性划分—侧向弯曲、竖向弯曲、扭转3.3 基本振型分析(1) 同类桥梁固有频率比较(2) 扭弯频率比(3) 对称或反对称振型出现次序(4) 扭转振型耦合特征¾4. 静风性能验算4.1 静风稳定性—扭转发散扭转发散临界风速(1) 二维计算模型(2) 三维计算模型 4.2 静风强度荷载最不利组合问题(1) 平均风荷载(2) 脉动风荷载 4.2 静风刚度(1) 侧向静风位移(2) 竖向静风位移(3) 扭转静风位移(较小)¾5. 风振性能检验5.1 风振稳定性5.2 风振强度(1) 驰振临界风速(2) 扭转颤振临界风速—变号(3) 耦合颤振临界风速—竖弯和扭转耦合*2A (4) 涡激共振锁定风速(1) 抖振引起的强迫力荷载(2) 涡振引起的自激力荷载荷载最不利组合5.3 风振刚度(1) 抖振位移(a) 统计分析方法(b) 节段模型试验法(c) 全桥模型试验法(2) 涡振位移(a) 理论模型计算法(b) 节段模型试验法(c) 全桥模型试验法¾6. 抗风性能改善6.1 桥梁抗风性能(1) 主梁风振失稳(驰振、颤振)绝对避免(2) 主梁涡激振动尽量避免(3) 主梁抖振一般不作控制(4) 拉索风振或雨振尽量避免6.2 主梁性能改善措施(1) 结构措施—刚度、质量、约束(2) 外形措施—导流、开槽、分流(中央稳定性)，裙板等(3) 阻尼措施—TMD、主动、半主动等6.3 拉索性能改善措施(1) 表面处理—刻痕、螺旋线等(2) 内置阻尼器—锚箱内(3) 外置阻尼器—离索端一定距离(4) 稳定索系—交叉索等¾7. 抗风设计发展(1) 概率性评价和可靠性分析(2) 等效风荷载问题(3) 基于结构性能(舒适度)的抗风设计(4) 风振疲劳问题(5) 斜拉桥拉索振动控制(6) 考虑周边地形影响的风振问题下周同一时间再见!。
桥梁抗风基础
阵风荷载 gust load：基于阵风风速的风荷载 地表粗糙度 terrain roughness：反映大气边界层中
地表起伏或地物高矮稀密的程度
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风工程基本术语
空气静力系数 aerostatic factor：表征在风的静气动力作用
下，结构断面受力大小的无量纲系数。
静力扭转发散 aerostatic torsional divergence：在风的
节段模型试验 sectional model testing：将桥梁结构构件的
代表性节段做成刚性的模型，在风洞中测定其静力三分力或非定常气 动力作用的试验。
全桥气动弹性模型试验 full aeroelastic model testing：
将桥梁结构按一定几何缩尺并满足各种必要的空气动力学相似条件制 成的弹性三维空间模型，在风洞中观测其在均匀流及紊流风场中各种 风致效应的试验。
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风工程基本术语
风振控制 wind-induced vibration control：为
避免出现发散性风致振动或过大的限幅振动所采取的气
动措施、结构措施或机械措施。
调质阻尼器 tuned mass damper：由质量块、弹
簧和阻尼元件组成的动力减振装置。
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风的分类：季风，飓风（台风、气旋），温带气旋，
局部风。
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风的分级
气象学上将风的强弱 按 10min 时距的平均 风速的大小分成13个 等级。右表为常用的 蒲氏风级表（由英国 人F.Beaufort于1805 年拟定）。
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桥梁抗风抗震
抗风部分
二、结构的风致振动与来风的特性的关系 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������ 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������ 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������ 由上游结构或其它障碍物对来流的干扰会使来流 风速产生显著的脉动
抗风部分
三、桥梁风工程的研究方法 理论分析 风洞试验 现场观测及数值模拟������
湖南理工学院 土木与建筑工程学院
抗震部分
一、抗震设计流程 1 选择地震置防标准 2 抗震概念设计 3 地震反应分析 4 抗震性能验算（未通过重新设计） 5 抗震构造设计
抗震部分
二、抗震设计的基本要求 性能要求I：结构处于正常使用状态。抗震分析时， 结构可视为弹性体系。在预期的地震动作用下，构 筑物一般不受损坏或轻微损坏，但不中断行车。 性能要求Ⅱ：结构进入非弹性工作阶段。结构的非 弹性变形或结构体系的损坏应控制在可修复的范围。 在预期的地震动作用下，构筑物不致产生大的破坏 (大的破坏如路基崩坍或滑动、挡土墙倒毁、桥梁坠 落、墩台折断、隧道错动等)，经修补后可限速通车。 性能要求Ⅲ：结构进入弹塑性工作阶段。结构发生 较大的非弹性变பைடு நூலகம்，但应控制在规定的范围内。在 预期的地震动作用下，构物可能产生较大破坏，但 不出现整体倒塌，经抢修后可限速通。
抗风部分
一、结构的风致振动的的自身影响因素及分类 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。 按照风致动力荷载性质������ 随机振动������ 确定性振动������ 按风致动力荷载的成因������ 强迫振动������ 自激振动������ 按振动的性质������ 限幅振动������ 发散振动
桥梁抗风设计讲解
2 L
2
EJ 2 H g ( m
L 2 ) 2
EJ——加劲梁的竖弯刚度（N.m2)；
Hg——恒载单根主缆水平拉力(N)；
m——桥面和主缆的单位长度总质量，m=md+2mc； md—— 桥面单位长度质量(kg/m)；
mc——
单根主缆单位长度质量(kg/m)。
(md 2mc ) gL2 Hg 16 f
1 x0 ln n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 1
2
， 2
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结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析 获得，结构阻尼与材料、结构形式等多种因素有关，无 法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构的阻尼比可以取 以下经验值：
桥梁种类 钢桥 结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 0.005 0.01 0.02
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考虑结构的几何非线性及静力三分力随攻角的变化， 采用非线性有限元方法进行分析。该方法可以将横向屈 曲和静力扭转发散一并考虑，是研究桥梁空气静力稳定 性的较为完善的方法。
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桥梁动力特性及其计算分析
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一、 频率、振型及结构阻尼
频率——单位时间内系统简谐振动的次数，常记为f，单位为Hz（次/ 秒）。简谐振动的频率等于周期的倒数。圆频率w2f，单位为（周/ 秒）。 振型——结构以某一频率做箭谐振动时，结构各点相对位移的关系。 阻尼——结构在做有阻尼自由振动时振幅衰减的程度 对数衰减律
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悬索桥结构动力特性示例
20
21
22
阶次 1 2 3
频率(Hz) 0.0693 0.1419 0.2163
振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1
4
5 6 7
桥梁抗风原理及应用基础.
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20世纪的后50年间，虽然没有发生象塔科马桥那样的风 毁事故，但是简易人行吊桥的风毁（日本，1963年），架 设中的桁架桥的风毁（日本木曾川桥，1962年），施工中 独立桥塔因风振而产生的塔柱接头部位的损伤（1964年建 成的英国福斯桥），下承式拱桥及郎格尔桁架的吊杆因涡 激共振产生的疲劳损伤，斜拉桥的缆索振动等，却时有报 道。因此桥梁的风害至今仍然是桥梁工程师们十分关注的 问题。
U
B
Zl B 10
B
U
a
(
z
)
Zl z
a
a
U
a
(z)
U
B
(
Zl B 10
)
B
(
z Zla
) a
即，同时推算到梯度高度，再反推到实际高 度
非标准时距情况
U G U nonstandard
t standard
时距
1h 10min 5min 2min 1min 0.5min 20s 10s 5s 瞬时
1940年，美国西海岸华盛顿州建成了中央路径为853m，居当 时世界第三位的塔科马悬索桥（Tacoma Bridge），其设计风 速为60m/s。然而四个月后，却在19m/s的风速袭击下，产生 强烈扭曲振动而遭破坏。这次事故再次震惊了桥梁工程界，
经过广泛深入研究，提出了桥梁的风致振动问题。
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局部风——龙卷风
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。 同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生 气旋的同样过程，形成龙卷核心。
桥梁抗风抗震复习讲义课件
第1振型
第2振型
第3振型
桥墩的水平挠曲固有振型
时间函数 f (t ) 的幅值按照 Aet 逐渐衰减 ，如图
Aet
t
桥梁结构的自 振周期和地震 动卓越（主要） 周期越接近， 它的振型接受 到地震力的影 响越大；而结 构的阻尼比越 小，结构所受 的震害也越大。 分析和认识桥 梁结构的自振 周期、振型和 阻尼比这些动 力特性的重要 意义就在于此。
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
地震强度
场地情况
桥梁震害
桥梁震害
人为错误
结构地震易损性
桥梁震害的四大原因
地基失效 结构强振 引起的破坏 引起的破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
2.3 下部结构和基础的震害
2.3.1 桥梁墩柱的震害 桥梁墩柱的震害
墩柱的弯曲破坏
墩柱的剪切破坏
墩柱的基脚破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第四章 桥梁工程抗震设计
桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的 抗震能力，具体包括以下三个方面 ：
正确选择能够有效地抵抗地震作用的结构形式； 合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等动力参数，以便最大限度
地利用构件和材料的承载和变形能力； 正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其
桥梁抗风抗震复习讲义
1.2.2 烈度
人的感觉 物体反应 结构破坏 自然现象
–侧重点差异
–地震学：地震破坏后果 –抗震：地震作用强弱
–烈度与地震动参数关系
¡ 定义 ¡ 评价指标 ¡ 地震烈度表 ¡ 性质 ¡ 理解分歧 ¡ 影响因素及规律 ¡ 关于取消烈度
地震对地表及工程结构 影响的强弱程度