第十二讲 桥梁风荷载定义
风荷载对桥梁设计的影响研究
风荷载对桥梁设计的影响研究桥梁作为重要的交通基础设施，其设计的安全性和稳定性至关重要。
在众多影响桥梁设计的因素中，风荷载是一个不可忽视的重要因素。
风荷载的作用可能导致桥梁结构的振动、变形甚至破坏，因此深入研究风荷载对桥梁设计的影响具有重要的理论和实际意义。
风荷载是指风对桥梁结构所产生的压力、吸力和扭矩等作用力。
风的特性如风速、风向、风的湍流强度等都会对风荷载的大小和分布产生影响。
一般来说，风速越大，风荷载也就越大。
而风向的变化则会导致风荷载作用方向的改变，从而影响桥梁结构的受力情况。
风的湍流强度则反映了风的脉动特性，会增加风荷载的复杂性和不确定性。
在桥梁设计中，风荷载对不同类型的桥梁结构产生的影响有所差异。
对于梁式桥，风荷载主要作用在桥面板和主梁上，可能引起桥梁的竖向振动和横向位移。
对于拱式桥，风荷载不仅会影响拱肋的受力，还可能导致拱的失稳。
对于斜拉桥和悬索桥，由于其柔度较大，风荷载更容易引起结构的振动，如颤振、抖振和涡振等。
风荷载对桥梁结构的动力响应是一个需要重点关注的问题。
当风的频率与桥梁结构的自振频率接近时，容易发生共振现象，导致结构的振幅显著增大，甚至发生破坏。
例如，1940 年美国塔科马海峡大桥在微风作用下发生剧烈的颤振而坍塌，这一事件引起了工程界对风致桥梁振动问题的高度重视。
为了避免这种情况的发生，在桥梁设计中需要准确计算桥梁结构的自振频率，并采取相应的减振措施，如安装阻尼器、优化结构外形等。
风荷载还会影响桥梁的稳定性。
对于高墩桥梁，风荷载可能导致桥墩的横向屈曲失稳。
对于大跨度桥梁，风荷载可能引起主梁的扭转失稳或整体失稳。
在设计过程中，需要通过稳定性分析来确定桥梁结构在风荷载作用下的稳定性，并采取加强措施，如增加结构的刚度、设置抗风缆等。
此外，风荷载对桥梁的施工过程也会产生影响。
在桥梁施工阶段，结构往往处于未完成状态，其刚度和稳定性相对较弱，更容易受到风荷载的影响。
例如，在架设钢梁或拼装桥梁构件时，强风可能导致构件的摆动和碰撞，影响施工安全和质量。
桥梁设计中的风荷载影响
桥梁设计中的风荷载影响在桥梁工程的设计中，风荷载是一个不可忽视的重要因素。
风，这个看似无形却力量强大的自然力量，对桥梁的稳定性、安全性以及使用性能都有着深远的影响。
桥梁作为跨越江河湖海、山谷等自然障碍的重要建筑物，往往暴露在广阔的空间中，容易受到风的作用。
风荷载的大小和方向会随着风速、风向、桥梁的形状、高度、跨度等多种因素而变化。
当强风吹过桥梁时，可能会产生一系列不利的效应。
首先，风荷载会对桥梁的结构产生直接的压力和吸力。
这种压力和吸力的分布不均匀，可能导致桥梁构件局部受力过大，从而引发结构的损坏。
比如，在桥梁的迎风面，风的压力较大；而在背风面，可能会产生较大的吸力。
如果桥梁的设计没有充分考虑这些因素，就有可能出现桥梁构件的变形、开裂甚至断裂。
其次，风的作用还可能引起桥梁的振动。
风致振动包括颤振、抖振和涡振等多种形式。
颤振是一种自激振动，一旦发生，可能会导致桥梁结构的迅速破坏，后果不堪设想。
抖振则是由风的脉动成分引起的随机振动，虽然不会像颤振那样造成灾难性的后果，但长期的抖振作用会使桥梁构件产生疲劳损伤，降低桥梁的使用寿命。
涡振是由于风流绕过桥梁结构时产生的漩涡脱落引起的周期性振动，如果涡振的频率与桥梁的固有频率接近，就会使振动加剧。
为了准确评估风荷载对桥梁的影响，工程师们需要进行大量的风洞试验和数值模拟。
风洞试验是将桥梁的缩尺模型置于风洞中，通过测量模型在不同风速和风向条件下的受力和振动情况，来预测实际桥梁在风作用下的性能。
数值模拟则是利用计算机软件对风与桥梁的相互作用进行模拟分析，能够快速地获取大量的数据，但需要准确的模型和参数输入。
在桥梁设计中，考虑风荷载的影响需要从多个方面入手。
一是合理的桥梁外形设计。
流线型的外形可以有效地减小风的阻力，降低风荷载的作用。
例如，斜拉桥和悬索桥的桥塔和主梁通常采用流线型的截面形状，以减少风的干扰。
二是加强桥梁的结构刚度。
增加桥梁的刚度可以提高其抵抗风致振动的能力。
桥梁设计中的风荷载计算
桥梁设计中的风荷载计算在桥梁设计中，风荷载是一个至关重要的考虑因素。
风的力量可能对桥梁结构产生显著影响，从轻微的振动到严重的破坏都有可能。
因此，准确计算风荷载对于确保桥梁的安全性、稳定性和耐久性具有不可忽视的意义。
风荷载的本质是空气流动对桥梁结构表面产生的压力和吸力。
这种力的大小和方向受到多种因素的综合影响。
首先，风速是一个关键因素。
风速越高，风荷载通常就越大。
但风速并非唯一决定因素，风的湍流特性也起着重要作用。
湍流会导致风的速度和方向在短时间内发生不规则变化，增加了风荷载的复杂性。
桥梁的几何形状和尺寸对风荷载的计算有着直接的影响。
例如，桥梁的跨度、横截面形状、高度等都会改变风在其表面的流动模式。
较宽的桥梁可能会受到更大的风阻力，而高耸的桥梁结构则更容易受到风的弯矩作用。
在计算风荷载时，需要考虑不同的风况。
常见的风况包括平均风况和阵风。
平均风况用于评估长期作用下的风荷载，而阵风则用于考虑短期的强烈风作用。
此外，风向也是一个重要的变量。
不同的风向会导致风在桥梁结构上的作用位置和方式发生变化。
风洞试验是确定桥梁风荷载的一种重要方法。
通过在风洞中模拟实际的风环境，并将桥梁模型放置其中，可以测量风对模型的作用力。
这种试验能够提供非常精确的数据，但成本较高，且试验过程较为复杂。
数值模拟方法在近年来也得到了广泛应用。
利用计算机软件，基于流体力学原理对风在桥梁周围的流动进行模拟，可以预测风荷载。
这种方法相对成本较低，且可以快速进行多种工况的分析，但需要对模型和边界条件进行合理设置，以保证计算结果的准确性。
在实际的风荷载计算中，通常采用规范中给出的公式和系数。
这些规范是基于大量的研究和实践经验总结出来的。
例如，我国的《公路桥梁抗风设计规范》就提供了详细的计算方法和参数取值。
对于简单形状的桥梁结构，计算风荷载可能相对较为直接。
但对于复杂的桥梁，如斜拉桥、悬索桥或具有特殊外形的桥梁，需要采用更精细的计算方法和模型。
桥梁结构振动与风荷载效应分析与优化设计
桥梁结构振动与风荷载效应分析与优化设计桥梁结构是连接两岸的重要交通设施，而桥梁结构的振动与风荷载效应是桥梁结构设计中需要考虑的重要因素。
本文将详细介绍桥梁结构振动与风荷载效应的分析与优化设计。
桥梁结构振动是指桥梁在受到外力作用下，发生的结构变形和能量传递现象。
桥梁结构振动分为自由振动和强迫振动两种情况。
自由振动是指桥梁在没有外力作用下，自身在固有频率下发生振动。
而强迫振动是指桥梁在受到外界作用力下，发生的振动。
桥梁结构振动会对桥梁的安全性产生影响。
如果桥梁结构振动过大，会导致桥梁产生疲劳损伤、裂缝等问题，严重时可能会导致桥梁垮塌。
因此，在桥梁结构设计中需要考虑振动对桥梁的影响，并进行相应的优化设计。
桥梁结构风荷载效应是指桥梁在受到风力作用下，发生的结构变形和能量传递现象。
风荷载效应是桥梁结构设计中需要考虑的重要因素之一。
在桥梁设计中，需要根据当地的气象条件和地理环境，对桥梁受风荷载的影响进行分析，并进行相应的优化设计。
针对桥梁结构振动与风荷载效应的分析与优化设计，可以采用有限元分析方法。
有限元分析方法是一种基于数值计算的工程分析方法，可以对桥梁结构进行模拟计算，得出其在受到外力作用下的响应情况。
在进行有限元分析时，需要对桥梁结构进行建模。
建模时需要考虑桥梁结构的几何形状、材料特性、支座条件等因素。
建模完成后，可以对桥梁结构进行静态分析和动态分析。
静态分析是指在不考虑振动和变形情况下，对桥梁结构的受力情况进行分析。
动态分析是指考虑桥梁结构振动和变形情况下，对其受力情况进行分析。
通过有限元分析可以得出桥梁结构在受到外力作用下的响应情况。
根据响应情况，可以对桥梁结构进行优化设计。
优化设计可以从材料选型、支座设计、几何形状等方面入手，使得桥梁结构在受到外力作用下具有更好的抗风性能和抗震性能。
总之，桥梁结构振动与风荷载效应是桥梁结构设计中需要考虑的重要因素。
通过有限元分析和优化设计，可以使得桥梁结构具有更好的抗风性能和抗震性能，保障其安全性和可靠性。
高速公路桥梁风荷载的风洞试验研究
高速公路桥梁风荷载的风洞试验研究近年来，随着交通运输事业的快速发展，越来越多的高速公路得到了建设，而随之而来的就是桥梁建设的增多。
桥梁是高速公路的重要组成部分，对于保障道路安全和车辆行驶很关键。
在桥梁设计中，风荷载是一个很重要的考虑因素，其是否合理直接影响着桥梁在风力作用下的稳定性和安全性。
因此，高速公路桥梁风荷载的风洞试验研究备受关注。
一、风荷载的概念风荷载是指由于大气风力而在建筑物或结构上出现的作用力。
在高速公路桥梁中，风荷载是指高速公路上行驶的车辆在结构上产生的气动力，其与风速、横截面形状、路面几何等因素有关。
风荷载对桥梁的影响是巨大的，当风速达到一定级别时，会对桥梁产生很大的振动和摇晃，严重时甚至会导致桥梁垮塌，造成巨大的人员伤亡和财产损失。
因此，在设计桥梁时要考虑到风荷载的影响。
二、高速公路桥梁风荷载的风洞试验研究为了研究高速公路桥梁风荷载的作用及其对桥梁的影响，需要进行一系列的风洞试验研究。
风洞试验是通过在风洞中模拟实际风场环境来研究建筑物及其他结构的气动性能的方法，可以在数学模型设计基础上更加真实地反映实际环境下的风荷载。
风洞试验中，一般是按照实际建设的工程模型，将其放在风洞中，模拟实际的风场环境，通过测量模型在风场环境下的应力差异，进而确定模型的气动性能，分析模型在风场作用下的稳定性和抗风能力。
三、高速公路桥梁风荷载的分析方法在研究高速公路桥梁风荷载的风洞试验中，需要使用一些分析方法，以便对试验结果进行分析和处理，为工程设计提供依据。
1.风洞模型缩尺比例分析在进行高速公路桥梁风荷载的风洞试验时，为了在试验中保证符合实际建设中的情况，需要将实际桥梁结构缩小一定的比例进行试验分析。
此时就需要使用风洞模型缩尺比例分析技术来确定缩放比例，使缩放后的模型在风场环境下具有等效表现。
2.惯性力与气动力计算方法风荷载在桥梁结构中的分布情况与桥梁结构的横截面形态和路面几何形态有关。
因此，在风洞试验中，需要借助一些惯性力和气动力计算方法，计算模型在风场中的力学响应。
桥梁设计中的风荷载分析
桥梁设计中的风荷载分析桥梁作为交通运输工程中必不可少的一部分，承载着重要的交通功能和社会使命。
但是，在桥梁设计中，不可忽视的一个因素就是风荷载的影响。
风荷载是指风对桥梁构件产生的作用力，它是桥梁结构设计中的一个重要考虑因素。
风荷载分析是桥梁设计中的必要环节，它旨在确定桥梁在强风环境下的结构安全性。
为了保证桥梁的稳定性和耐久性，工程师需要精确的风荷载数据进行分析。
在风荷载分析中，首先要考虑的因素是风的力量。
风是一种气体，具有流动性和动力学特性。
因此，在风荷载分析中，我们需要考虑风的速度、密度、方向和变化。
同时，风荷载的分析也要考虑到桥梁的结构形式和几何特性。
不同类型的桥梁结构，如悬索桥、梁桥和拱桥等，其受到风荷载的影响程度和方式都不尽相同。
风荷载的分析可以通过多种方法来进行，其中一种常用的方法是数值模拟。
通过建立数学模型和计算方法，可以对风的流动和作用力进行定量分析。
这种方法可以较为准确地预测桥梁受到的风荷载，并为工程师提供设计依据。
除了数值模拟方法，实地观测也是风荷载分析中的重要手段之一。
通过在现场设置测风塔，并利用敏感器和数据采集设备收集风的相关数据，可以获得现实环境下的风荷载信息。
这种方法能够直接观测到风荷载的实际作用情况，有助于验证数值模拟的准确性。
知晓桥梁所受的风荷载后，工程师需要将其作用于桥梁结构中的不同部位进行分析。
对于各种类型的桥梁结构，需要分别考虑风的作用对主梁、支座、墩柱和拱圈等构件的影响。
同时，不同构件的形状、材质和受力方式也会对风荷载的传递和响应产生影响。
在风荷载分析中，安全性是最基本的考虑因素。
在确定风荷载时，工程师需要根据国家规范和标准，确保桥梁结构能够在风荷载作用下保持稳定和安全。
同时，工程师还需要考虑到桥梁的寿命和可持续性。
在风荷载分析中，除了满足强度要求外，还需要对桥梁结构的耐久性和周期性维护保养进行综合考虑。
在实际工程中，风荷载分析扮演着不可忽视的角色。
合理的风荷载分析能够为桥梁结构的设计、施工和运营提供科学依据。
风荷载对桥梁设计的影响及应对措施
风荷载对桥梁设计的影响及应对措施引言桥梁作为重要的交通基础设施之一，在面临自然灾害风力时可能面临结构破坏的风险。
风荷载是桥梁设计中必须考虑的重要因素之一。
本文将探讨风荷载对桥梁设计的影响，并提出相应的应对措施。
1. 风荷载的概述风荷载是指风对桥梁结构产生的压力和力矩。
在桥梁设计中，常常采用风荷载作为基本荷载之一，来考虑桥梁在风力作用下的安全性。
风荷载的大小与风速、桥梁形状和风向角等因素密切相关。
2. 风荷载对桥梁结构的影响风荷载对桥梁结构的影响主要表现在以下几个方面：2.1 抗风稳定性风荷载可能会导致桥梁结构的抗风稳定性下降，使得桥梁发生变形、位移和甚至破坏。
特别是在高速公路、高铁等高速交通桥梁中，对抗风能力的要求更为严格。
2.2 桥梁振动风荷载会引起桥梁结构的振动，特别是当风速较大时。
振动可能会导致桥梁结构的疲劳破坏，甚至产生共振效应。
2.3 跨径设计桥梁的跨径设计也受到风荷载的影响。
风荷载对短跨径和长跨径桥梁的影响不同，需要在设计中进行合理的考虑和调整。
3. 应对措施为了保证桥梁在风荷载下的安全性和稳定性，需要采取一系列的应对措施。
以下是一些常用的应对措施：3.1 结构形式选择桥梁的结构形式对抗风能力有着重要影响。
例如，在高风地区，可以采用刚性桥梁来提高抗风稳定性。
3.2 风洞试验风洞试验是桥梁设计中常用的手段之一。
通过模拟实际的风场条件，可以对桥梁在风荷载下的受力情况进行准确的预测和评估，从而指导桥梁的设计。
3.3 抗风设计参数的确定在桥梁设计中，需要根据实际情况确定相应的抗风设计参数，如风速、风向、设计风荷载等。
这些参数应根据地理位置、气象条件和桥梁特性等因素进行科学合理的确定。
3.4 结构加固当桥梁结构的抗风能力不足时，可以通过加固措施来提高桥梁的抗风稳定性。
例如，在桥梁主梁上增加纵、横向加固构件，改善桥梁的整体受力性能。
3.5 风荷载监测在桥梁投入使用后，应进行定期监测桥梁结构在风荷载作用下的受力情况。
结构设计知识：风荷载在结构设计中的应用
结构设计知识：风荷载在结构设计中的应用随着建筑物不断增加的高度和流线型设计的尝试，风荷载已成为结构设计中非常重要的考虑对象之一。
风荷载是指建筑物、桥梁或其他结构体受到的风压力和风力的力量，是一种非常重要的外部荷载。
因此，在结构设计中，必须根据实际情况综合考虑风荷载的影响，进行合理的结构设计，以保证结构的安全性和稳定性。
1.风荷载的形成原因风荷载是由气体环境中流动的空气造成的。
它的大小与气流速度和空间布局等因素有关。
风荷载的影响主要来自以下几个方面：（1）风速风速是决定风荷载大小的关键因素。
随着风速的增加，风荷载也相应增大。
（2）风的气动特性建筑物的形状和固体本身的材料有很大的影响。
例如，如果风部分绕过了建筑物，在高层建筑的顶部和角部会形成强大的负压力，风荷载也相应较大。
（3）地面的地貌和建筑物周围的环境地面地形和建筑物周围的环境都会对风荷载造成影响。
例如，建筑物周围有其他高层建筑，会影响风的流向和速度。
2.风荷载的计算方法在结构设计中，风荷载的计算方法通常使用国家和国际标准的规定和方法。
例如，我国现行的规范：《建筑结构荷载规范》第二部分给出了关于建筑物风荷载的计算方法和标准。
（1）静力分析法利用静力分析法计算建筑物（或其他结构体）受到风荷载的作用力，主要是计算结构体的振动和位移，从而确定结构的稳定性。
这种方法比较适合于大型建筑和桥梁的设计。
（2）风洞实验法风洞实验方法通常适用于建筑物的设计，特别是高层建筑的设计。
风洞实验可以通过物理实验来模拟风的流动，从而更准确地估计结构体所受的风荷载。
（3）数值模拟法数值模拟法是一种比较新颖的计算方法，使用计算机模拟建筑物在风荷载下的响应，可以预测建筑物在不同风荷载下的响应和损伤，进而为结构设计工作提供更为准确的依据。
3.风荷载对结构设计的影响风荷载是结构设计中必须考虑的重要因素之一，影响结构的安全性、稳定性和经济性。
建筑物在风荷载下，会导致建筑物发生倾覆、倾斜、震动和损坏等问题。
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桥梁及结构风振理论及其控制
——之第十二讲桥梁风荷载定义
主讲教师：葛耀君博士．教授
1、风荷载分类
2、风荷载分解
3、等效风荷载组合
4、模态荷载方法
5、动力荷载峰值
6、结构风荷载问题
¾1.风荷载分类
1.1按风特性分类
风
荷
载
平均风速
脉动风速平均风荷载—静风压力
自激力荷载—气流与结构相互作用力脉动风荷载—脉动压力
强迫力荷载—结构振动惯性力
问题：①气流与结构相互作用力忽略不计?(国际首创)
②四个分量荷载是否满足叠加条件?
1.2 按结构刚度分类
大刚度结构—平均风荷载+脉动风荷载
中刚度结构—平均风荷载+脉动风荷载+强迫力荷载
小刚度结构—平均风荷载+自激力荷载+
脉动风荷载+强迫力荷载风荷载
问题：①脉动风荷载能否与强迫力荷载叠加？
②自激力荷载与强迫力荷载如何叠加？
¾2. 风荷载分解
2.1 平均风荷载—静力荷载
)
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1
)()
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)()
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)(0000002222x W x C x B U x W x W x C x B U x W x W x C x B U x W z z z z y y y y θθθθαραραρ======
2.2 脉动风荷载—静力荷载
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()
()
()
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1)(~)
(~)()(121)(~)
(~)()(121)(~12
121210000002
2222
22
222
2x W x C x B G U x W x W x C x B G U x W x W x C x B G U x W BC G U BC U BC U G F U
G U u z z z u z y y y u y D
u D D u D u g θθθθαραραρρρρ=−==−==−=−+===阵风阻力：阵风风速：
2.3 强迫力荷载—动力荷载
是否一定按振型分布？
是否改变？
随如何分布？问题：
的贡献主要是结构自振惯性力共振响应荷载—度的贡献主要是脉动风功率谱密背景响应荷载—强迫力风荷载：r b b r b r b P w P P P P P P P ~
.3 ~
~ .2 ~
.1 ,~
,~
~
~~+=
2.4 自激力荷载—动力荷载
是否一定按振型分布？
如何确定？
问题：自振惯性力的贡献结构共振响应荷载，主要是—自激力风荷载：r r r r
r b P P P P P P P .2 .1 ≈+=风荷载
静力荷载=平均风荷载+脉动风荷载
动力荷载=自激力荷载+强迫力荷载
¾3. 等效风荷载组合
3.1 等效原理
等效意义—最大动力荷载等效成静力荷载
等效原则—振型峰值截面的最大位移或最大内力等效
3.2 自激力荷载等效
)
()()()()()(1
1
1
x P x p x P x p x P x p i
n i i zi
n
i zi z yi
n
i yi y θθθα
αα∑
∑
∑====
==
3.3 强迫力荷载等效
z
(1) 大刚度结构——U=U d
)
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)(~)(~
)(~)(~
1
1
1
x P x P x P x P x P x P i
n i i zi
n
i zi z yi
n
i yi y θθθα
αα∑
∑
∑====
==
3.4 等效风荷载表述
)
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)()()(~
)()(000000000000x W x W x W x W x W x W x W x W x W y y y z y z z y y y y y ααααααθθθ+=+=+=
z (2) 中刚度结构——U=U d
3.4 等效风荷载表述(续))
(~
)(~)()()
(~
)(~)()()
(~
)(~)()(1
1
1
000000000000x P r x W x W x W x P r x W x W x W x P r x W x W x W i i i i i i n
i i y n
i z i z z z z z y n
i y i y y y y y θθθθθθθααααααααα∑∑∑===±−=±+=±+=z
(3) 小刚度结构——U=U lock-in
)
()(~
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()(~
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()(~
)()(1
1
1
000000000000x P r x W x W x W x P r x W x W x W x P r x W x W x W i i i i i i n
i i z n
i z i z z z z z y n
i y i y y y y y θθθθθθθααααααααα∑∑∑===±+=±+=±+=
¾4. 模态荷载方法
4.1 荷载组合系数
目的—不是所有模态都达到峰值。
UWO方法:
取一阶模态：r1=1.0
取二阶模态：r1=r2=0.9
取三阶模态：r1=r2=r3=0.8
取四阶模态：r1=r2=r3=r4=0.7
取五阶以上模态：r1=r2=r3=r4=r5=0.6
4.2 结构对称性方法
()()阶反对称模态的贡献
，而不是第一所有反对称模态的贡献—对称模态的贡献而不是第一阶所有对称模态的贡献，— ,,~ ,,~)
(~)(~)(~)()()(~)(~)(~)()()(~)(~)(~)()(000000000000θθααααααααααααθθθθθθθθθz y k P z y k P x P x P x W x W x W x P x P x W x W x W x P x P x W x W x W a k s k a a s s a y a z s z s z z z z z z a y a y s y s y y y y y y ==±±+=±±+=±±+=实际应用：宜宾岷江二桥和上海卢浦大桥
¾5. 动力荷载峰值 5.1 模态函数标准化
5.2 荷载峰值导数
1)(1)(标准化成最大值为标准化成最大值为x x a k s k αα自激力荷载峰值系数
—强迫力荷载峰值系数—k k P P ~
5.3 强迫力荷载峰值系数确定
z(1)节段模型试验法——实时响应测量z(2)全桥模型试验法——实测振动响应z(3)抖振计算方法(包括自激力作用)
5.4 自激力荷载峰值系数确定
z(1)全桥模型试验法——实测振动响应z(2)涡振分析计算方法
¾6. 结构风荷载问题
z(1)风荷载(动力风荷载)无法直接测量
z(2)动力风荷载通过响应用结构惯性力方法定义z(3)风荷载各个组成部分之间关系及其叠加方法z(4)风荷载各个组成部分的分布形态
z(5)定义风荷载还是定义结构响应(位移和内力) z(6)完备的等效风荷载理论及其工程应用方法
下周同一时间再见!。