桥梁抗风基础PPT课件
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
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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
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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
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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
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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。
桥梁抗风抗震概论PPT文档共29页
谢谢！
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
桥梁抗风Байду номын сангаас震概论
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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
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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。
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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!。
工程结构抗风课件7
Davenport分析步骤 分析步骤5-6 分析步骤
启动 Internet Explorer 浏览器.lnk
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桥梁抗风设计
抖 振 的 机 理 及 分 析 方 法
Scanlan的准定常气动力表达式，并引入气动导纳函数修正 的准定常气动力表达式， 的准定常气动力表达式
1 u(x, t ) A Dbu (x, t ) = ρU 2 B2 CD (α 0 ) γ 1 (t ) 2 U B 1 u(x, t ) A w(x, t ) ′ Lbu (x, t ) = − ρU 2 B2CL (α 0 ) γ 2 (t ) + CL (α 0 ) + CD (α 0 ) γ 3 (t ) 2 U B U u(x, t ) w(x, t ) 1 ′ M bu (x, t ) = ρU 2 B 2 2CM (α 0 ) γ 4 (t ) + CM (α 0 ) γ 5 (t ) U U 2
步骤4 步骤
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桥梁抗风设计
抖 振 的 机 理 及 分 析 方 法
结构的内力响应 求得了结构的振型位移后， 求得了结构的振型位移后，由 位移求内力的过程将是一介静 力学的问题， 力学的问题，根据力和位移的 关系可求出内力功率谱及响应 方差。 方差。 抖振反应的概率评价 根据得到的脉动风引起的抖振 位移的反应和内力反应的统计 功率谱，方差等）， ），按适 量（功率谱，方差等），按适 当的概率分布理论推算最大期 望值，并由此进行概率评价。 望值，并由此进行概率评价。 评 价 Davenport先基于随机振动理论 提出频域抖振分析理论，引入联 合接受函数来描述气动力沿跨向
桥梁抗风设计
抖 振 的 机 理 及 分 析
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
2014-5-26
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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。
2014-5-26
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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。
2014-5-26
风的分类：季风，飓风（台风、气旋），温带气旋，
局部风。
2014-5-26
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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）。
2014-5-26
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
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21
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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
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F1
VF 33 ~ 49m / s ，中等破坏
1.6 ~ 5.0
10 ~ 50
F2
VF 50 ~ 69m / s ，相当大破坏 5.1 ~ 16.0 51 ~ 160
F3
VF 70 ~ 92m / s ，严重破坏 16.1 ~ 50.9 161~ 509
F4 F5~F12
VF 93 ~ 116 m / s ，毁灭性破坏
2020/5/31
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台风
强烈的热带气旋，在北半球热带气旋中的气流绕中心呈逆 时针方向旋转，愈靠近热带气旋中心，气压愈低，风力愈 大，其中心却是一片风平浪静的晴空区，即台风眼。
当热带气旋中心附近最大风力小于8级时称为热带低压，8 和9级风力的称为热带风暴，10和11级风力的为强热带风 暴，只有中心附近最大风力达到12级的热带气旋才称为台 风。
形成于高温、高湿和其它气象条件适宜的热带洋面。据统 计，除南大西洋外，全球的热带海洋上都有热带气旋生成。
2020/5/31
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台风
2020/5/31
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温带气旋
由大尺度气流受山脉阻挡或沿锋面两侧的 气团之间的相互作用而产生
发生于中纬度地区 移动速度一般夏季约为20km/h，冬季约为
50km/h。 伴随有强雷暴和龙卷风
从目击者所描述的风毁景像中可 以明显感到事故的原因是风引起 的强烈振动。只是人们对这种风 致振动机理还不可能作出科学的 解释，对其危害性认识还不够。
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。
龙卷核心中的旋转与气旋中 的不同，它的强度足以使龙卷一 直伸展到地面。当发展的涡旋到 达地面高度时，地面气压急剧下 降，地面风速急剧上升，形成龙 卷。
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局部风——龙卷风的等级
F 等级 F0
伴生的破坏
VF 33m / s ，轻度破坏
路径长度 L （km）
1.6
路径宽度 B （m）
1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压
的大小是2 7 3k g/ m2，此后相当长时间内，人们把风对结构
的作用仍只看成是由风压产成的静力作用
2020/5/31
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由于风而受到损害，早在Tay桥被 风毁之前就多次发生。据记载， 在1818年至1940年间，至少有11 座悬索桥毁于暴风。
龙卷风：在强雷暴中形成，所有风中最强的风
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局部风——焚风
-0.50C 每100米 Dew Point -10C 每100米
2020/5/31
＋10C 每100米 特点：热、干燥
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局部风——布拉风
-0.50C 每100米 Dew Point -10C 每100米
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破坏十分巨大
51 ~ 160 510 ~ 1600
2020/5/31
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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 台风给我国造成的经济损失，上世纪80年代为数十亿元，
2020/5/31
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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。
风的分类：季风，飓风（台风、气旋），温带气旋，
局部风。
2020/5/31
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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）。
2020/5/31
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季风
季节性的风 冬季形成大陆高压 夏季形成大陆低压 亚洲受季风影响非常强烈
第六讲 桥梁抗风基础
福州大学土木工程学院风毁 风工程基本术语 近地风特性 风对结构的作用
2020/5/31
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什么是风？
风是一种自然现象：是由于太阳对地球大气的加热
不均匀而引起的。由于地球表面的地形起伏和各种障碍物 的影响，使靠近地面风的流动发生紊乱，造成风在速度、 方向及其空间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和 随机的。
90年代为100亿元，去年（2005）已经发展到750亿元
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大跨度桥梁抗风研究发展简述
地震影响的主要是中小桥梁，而风荷载则是大跨度桥梁设 计的首要考虑因素
1759年Smeaton等就提出构造物设计时要考虑风压问题， 开始有了风荷载的概念，但当时对风压的认识是不够的
1879年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击，85跨桁架中的 13跨连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故
＋10C 每100米 在某些情况下， 空气下降时加热 不够，则形成布 拉风。 特点：冷、干燥
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流 的影响，它被进一步加强。
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气 流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。
2020/5/31
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局部风——龙卷风
2020/5/31
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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。
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局部风——龙卷风
龙卷风产生过程：
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局部风
焚风：空气越过山顶后被迫下沉，绝热压缩使空气温度升 高形成，典型见美国洛矶山脉
布拉风：寒冷区域无法形成焚风，势能转化为动能，形成 强烈阵风，典型见亚得里亚海东北岸
急流效应风：因地形分布导致流线辐合，风速增强，典型 见法国南部罗纳谷地
雷暴：暖湿气流上升过程中大规模降雨，使冷气流下沉， 在地面以壁急流形式形成扩散而成