大跨度桥梁的风致振动现象
大跨度桥梁的风致振动现象
其中CL和CD为升力系数和阻力系数，需要通 过静力三分力风洞试验获得。
涡振
限幅振动 影响使用
常遇风速 需要控制
Stronhal数及“锁定”现象
St
fd U
发生涡激共振的结构 的对旋涡的脱落会产
生一种反馈作用，使
旋涡脱落频率在一定
的风速范围内被“俘
获”或“控制”（保
全桥气弹 模型试验
研究大跨度桥梁运营态和典型施工态的 气动弹性行为，包括颤振临界风速，脉 动风作用下桥梁的抖振响应。
桥位处风 环境试验
通过在风洞中模拟实际桥位处的风环境， 获取桥位风场特性，为桥梁的抗风设计提 供必要的风场参数。
风洞介绍（直流风洞）
进气口
第一试验段
三元收缩段
第二试验段 动力段
第一稳定段
XNJD-1风洞建于1989年，为双试验段的回流风洞。 XNJD-2风洞建于2002年，为斜拉索风雨振专用风洞。 XNJD-3风洞建于2008年，为世界第一大的边界层风洞。
表示脉动风速与抖振力之间的转换函数，称 为气动导纳函数，用来修正桥梁断面周围紊流的 非定常性和不完全相关性。对于不同的桥梁断面， 气动导纳是不同的，需要通过风洞试验测定。
斜拉索风雨振
一定的风速 一定的雨量 一定的拉索
损坏拉索 必须避免
风雨振的减振措施
常规的桥梁风洞试验
主梁节段 测量桥梁断面气动力参数，测量主梁的 模型试验 风致振动，主梁断面的气动选型。
桥梁的自激气动力
运动产生 折算风速 颤振导数
颤振
发散振动 灾难性的
必须避免
桥梁颤振风速的计算公式
Von der Put 公式
大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析
大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析一、本文概述随着交通工程技术的不断发展和创新，大跨度斜拉桥作为现代桥梁工程的重要代表，其在桥梁建设领域的应用越来越广泛。
然而，随着桥梁跨度的增大，其结构特性和动力学行为也变得越来越复杂，尤其是在强风作用下的颤抖振响应和静风稳定性问题，已经成为桥梁工程领域研究的热点和难点。
本文旨在针对大跨度斜拉桥的颤抖振响应及静风稳定性进行深入的分析和研究，以期为提高大跨度斜拉桥的设计水平和安全性提供理论支持和实践指导。
本文首先将对大跨度斜拉桥的结构特点和动力学特性进行概述，阐述其在强风作用下的颤抖振响应机制和静风稳定性的基本概念。
接着，本文将详细介绍大跨度斜拉桥颤抖振响应的分析方法，包括颤振机理、颤振分析方法以及颤振控制措施等。
本文还将探讨大跨度斜拉桥的静风稳定性分析方法，包括静风稳定性评估方法、静风稳定性影响因素以及静风稳定性控制措施等。
本文将结合具体工程案例，对大跨度斜拉桥的颤抖振响应及静风稳定性进行实例分析，以验证本文所提分析方法的有效性和实用性。
本文的研究成果将为大跨度斜拉桥的设计、施工和运营提供有益的参考和借鉴，对于提高我国桥梁工程的设计水平和安全性具有重要的理论意义和实践价值。
二、大跨度斜拉桥颤抖振响应分析大跨度斜拉桥作为现代桥梁工程的重要形式，其结构特性和动力行为是桥梁工程领域研究的重点。
颤抖振，作为一种常见的桥梁振动形式，对桥梁的安全性和使用寿命有着重要影响。
因此，对大跨度斜拉桥的颤抖振响应进行深入分析，对于优化桥梁设计、确保桥梁安全具有重要的理论价值和实际意义。
在颤抖振分析中，首先要考虑的是桥梁结构的动力学特性。
大跨度斜拉桥由于其特殊的结构形式，其动力学特性相较于传统桥梁更为复杂。
在风的作用下，桥梁的振动会受到多种因素的影响，包括桥梁自身的结构参数、风的特性以及桥梁与风的相互作用等。
因此，在进行颤抖振分析时，需要综合考虑这些因素，建立准确的动力学模型。
要关注颤抖振的响应特性。
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施摘要：悬索桥以主缆为主要承重结构具有跨越能力大、雄伟壮观、造型优美等优点而成为大跨径桥梁结构首选桥型之一。
但随着跨度的增大，悬索桥的刚度变小，对风的敏感性越来越大，对抗风要求也越来越高。
大跨度悬索桥在风荷载的作用下，主要构件会产生各种形式的振动。
简述了国内外悬索桥抗风的发展和研究历史，分析了悬索桥风致振动的形式，并提出增强结构刚度、抑制风致振动的抗风措施。
关键词：大跨径悬索桥、风致振动、抗风措施1 前言悬索桥是以缆索为主要承重结构的桥梁结构，由于其强大的跨越能力，成为跨越宽大江河、海湾的首选桥型之一。
我国修建悬索桥的历史久远，早在千年之前，四川就已出现竹索桥。
明清时期，在我国西南地区，修建有诸多铁索桥，有些索桥至今仍在使用，著名于世的有贵州盘江桥和四川泸定桥。
在国外，也存在古老的悬索桥，如麦地海峡桥和克里夫顿桥。
20世纪初，国外欧美等国家经历了工业革命，加上悬索桥计算理论的初步形成，使悬索桥得到迅速的发展。
由于缺乏对空气动力学的研究，1940年，美国塔科马桥被风摧毁而倒塌。
此后十年，悬索桥的建设进入了停滞期。
在塔科马老桥风毁后，人们意识到悬索桥抗风设计的重要性，开始进行很多风洞试验以探索悬索桥抗风措施。
抗风研究阶段后，世界各国为了适应日益增长的交通量和经济发展，兴起了修建大跨径悬索桥的高峰。
我国在90年代后，国家加强基础建设水平，悬索桥的发展迅猛，东南沿海地区地区和长江内河等地修建了诸多大跨度的悬索桥，如今建设已经走在了世界的前列。
但悬索桥由于跨径的增大，刚度减小，柔性问题突出，承受风荷载的能力逐渐减小，极易被风摧毁。
悬索桥的风毁破坏属于脆性破坏，破坏前是难以预测和预警。
因此，深入了解桥梁与风作用后效应，进行科学合理的抗风设计，采取有效的抗风措施提高桥梁的抗风能力，对于悬索桥的建设和发展具有十分积极的现实意义。
2 大跨度悬索桥风致振动形式风是指空气由于太阳加热不均匀而引起的流动，具有一定的速度与方向。
大跨桥梁风致抖振时域分析及在ansys中的实现
关键词 : 长跨桥 ;抖振分析 ;时域法 ;有限元法
中图分类号 : U441. 3 ;U448. 27
文献标识码 : A
Time2Domain Analysis of Wind2Induced Buffet on Long2Span Bridges and Implementation of Analysis in ANSYS
线性等各种频域法所不能考虑的因素 ,故日益受到 重视 。在时域里进行抖振分析 ,关键是要求出作用 在桥梁上的气动力时域表达式 ,有了气动力后 ,就可 以用一般有限元的分析方法 ,对桥梁作时程分析 ,求 出抖振响应历程 ,然后对响应历程样本进行统计 ,求 出统计量 ,如位移均方根响应等 。文献[ 1 ]提出一种 准定常气动力模型 ,与传统时域抖振分析方法相比 ,
作用在主梁上单位展长自激力可以表达为工程应用为验证本文方法的正确性分别采用本文所提出的以单元气动刚度矩阵和单元气动阻尼矩阵形式表示的气动力模型和文献提出的准定常气动力模型分别对崖门桥的成桥状态进行风致抖振时域分析并对比了两个气动力模型计算出来的结果崖门大桥为双塔单索面预应力混凝土斜拉桥桥位处为类地表粗糙度类别主桥长668桥面平均高程为52ubcd10写成矩阵的形式可得单元气动阻尼矩静力三分力系数曲线主梁跨中节点横向竖向和扭转个重要自由度的位移响应时程结果见图本文模拟时间取为200但为了清晰起见只给出前40的结果其他时间点的结果与前40的结果类似
(9)
由式 (9) 可知 ,单位展长作用在主梁的气动力由三部
分组成 :静风力 、抖振力和自激力 , 由于静风力和抖
振力在一般参考文献中都有 , 本文不再给出 。作用
在主梁上单位展长自激力可以表达为 :
Fae ( t) = - C0δ· ( t) - K0δ( t)
桥梁风致振动综述
桥梁风致振动综述摘要：桥梁，作为一种连接构造物，从古至今扮演着跨越天堑、连接通达的重要角色。
从最开始的天然桥梁，到慢慢出现的石拱桥，到梁桥板桥，再到现代桥梁结构，桥梁的发展历史悠久，并且成果斐然。
但是在发展的过程中，不可避免的遇到了很多问题，这些问题有些被攻克解决了，还有一些仍未能被人类精确地理解和研究，仍在威胁着桥梁的安全。
本文主要讨论大跨度桥梁的风致振动问题与抗风设计方法。
关键词：桥梁风致振动，大跨度桥梁，桥梁抗风设计一、大跨径桥梁的轻柔化在了解风致振动、风工程之前，我们先要了解，风究竟是什么呢？风是大气边界层内空气流动现象, 并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。
在研究风对桥梁的作用时, 通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风速两部分。
风作用于桥梁结构时, 由风的压力作用形成对结构的风荷载, 同时, 风还会引起桥梁的颤振、驰振、抖振和涡激振动等各种形式的振动。
20世纪，大跨径桥梁得到了发展，然而在这些发展初期，风致振动稳定并没有成为大跨径桥梁的重要控制因素。
直到1940年11月，位于美国华盛顿州、仅建城4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在风速甚至不足20m/s的风下，发生了破坏。
这场破坏举世震惊，也第一次让工程师们认识到风对于大跨径桥梁的重要作用。
那么为什么，大跨径桥梁对风的敏感性这么高呢？这里我们要从大跨径桥梁的轻柔化说起。
为了减轻自重，增强跨越能力，比起传统混凝土桥梁，大跨径桥梁通常采用钢结构、钢混组合、结合结构等。
我们知道，钢材料的阻尼（damper）要小于混凝土，那么大跨径桥梁材料的基频也较小，通常为0.08Hz左右，而风的卓越频率在0.1Hz左右，二者比较相近，易产生共振；而相应的，地震卓越频率在1Hz左右，不易于大跨径桥梁产生共振。
这就解释了为什么大跨径桥梁对风作用敏感、对地震作用较不敏感，而小跨境桥梁恰恰与之相反。
二、风工程风工程（wind engineering）是指与自然风有关的生活或工业应用设施等主要涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性。
大跨度桥梁风危害
小议斜拉索风致振动以及减振措施朱柯石家庄铁道大学经1002-2班摘要：本文介绍了斜拉索风致振动的基本原因和类型、部分减振原理和特点。
关键词：桥梁工程；风振控制；涡激共振；抖振；参数振动；弛振；尾流弛振；风 - 雨振；0 前言随着现代桥跨结构朝着高大、轻柔、低阻尼趋势发展，发展超长、大跨径柔性桥梁是国际上的一种趋势，因此国内外近几年修建的斜拉桥跨度日渐增大，拉索也日渐长大，密索体系斜拉桥已经成为倾向。
众所周知，拉索是斜拉桥的极其重要组成部分，桥跨结构的恒载与活载大部分通过拉索传递到塔柱。
但是由于拉索质量小、柔度大、自身阻尼小，在风的激励下会发生多种类型的强烈振动，从而影响到桥跨结构的安全；因此如何将拉索的风振控制在安全范围受到桥梁结构工程师们的广泛关注。
1 斜拉索振动的基本原因以及类型由于斜拉索的结构阻尼很小，而结构阻尼对气动力稳定性至关重要，所以拉索本身就难以稳定。
在不同的外因条件下拉索将发生不同频率和振幅的“索振”，而且发振频度和振幅随着外因的改变而变化。
虽然引起拉索振动的原因很多，但其主要原因是风，即索振基本为风激振动。
从斜拉索的振动类型来看一般有以下几种：1.1经典涡激共振（Vortex-induced resonance）当稳定的层流风吹过拉索时气流绕过断面分离而产生周期性交替的漩涡脱落从而形成涡漩尾迹（又称卡门涡街），由于涡脱频率是和风速成正比，当其频率与拉索的自振频率一致时，将发生涡激共振。
涡激共振是斜拉索最为常见的一种低风速下的风致振动；属于低风速下的强迫振动，对结构来说一般发生在Vcr=3m／s-10m／s范围内（即3-5级蒲福风力）。
但是涡激能量输入有限，不会产生大幅度的拉索振动（Amax≤0.5D），值得注意的是:涡振发振频度很高，易造成拉索的疲劳损伤。
1.2抖振（Buffeting）由于自然风的阵风脉动和紊流引起拉索的强迫振动。
但抖振的振幅一般比较小。
值得指出的是抖振具有多种形式的尾流效应，典型的是并列索的尾流抖振。
风振对桥梁工程损害及防治
风振对桥梁工程损害及防治摘要：风对桥梁的作用是一种十分复杂的现象，随着桥梁跨径的不断增加,风振现象也越来越受到工程界的关注。
本文针对抖振、涡激共振、风雨振等风致振动对大跨度桥梁的结构安全形成不可忽视的影响，探讨了大跨度桥梁抗风设计原则与风致振动的控制,提出了改善桥梁结构和增加机械阻尼等方法。
关键词：大跨度桥梁;风致振动;抗风设计１引言１940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的主跨853m的塔科马悬索桥在风速不到20m／s的8级大风袭击下发生了当时还难以理解的强烈振动，奇妙的风竟使桥面扭曲翻腾。
而且振幅愈来愈大.直至使桥面倾翻到45度，最终导致桥粱的折断坠入峡谷之中。
这次事故后引起了国际桥梁工程界和空气动力界的极大关切,并开展了大量的理论探索和风洞实验研究。
我国自７0年代起斜拉桥蓬勃发展，跨度日益增大,1９99年1０月，主跨13８5m的江阴长江公路大桥的建成通车,使我国成为世界上能自主设计和建造千米级悬索桥的第六个国家。
中国改革开放以来已经建成了百余座缆索承重桥梁，其中包括10座悬索桥和近2０座跨度超过400ｍ的斜拉桥.与此同步,斜拉桥和吊桥的风致振动理论与实验研究也结合工程实际迅速发展，并取得了一些有价值的研究成果。
2桥梁结构风致振动理论风灾是自然灾害中发生最频繁的一种,桥梁的风害事故屡见不鲜。
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约.当风绕过一般为非流线型作用截面的桥梁结构时，会产生旋涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力.当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动,这种空气力的作用只相当于静力作用.当桥梁结构的刚度较小时,结构振动受到激发，这时空气力的作用不仅具有静力作用，而且具有动力作用。
2.１风的静力作用静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩.在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险,是主要的计算对象。
大跨度桥梁风振问题综述
的作用十分敏感 ， 风荷 载 已成为 支配性 的荷 载 ， 至控 制大 桥 主 扭转两个频 率使之接近 ， 甚 并耦合 成单一 的颤振频 率 ， 使振 动发 散。
梁断 面的选择 和桥 的选择 。因此 ， 研究桥 梁风 致振动 的机理 ， 减 后者则是 由于空气 的负阻尼不 断抵 消结构 的正 阻尼 ， 最后通过 阻 小桥梁的风振响应 ， 保证桥梁 的安全工 作成为 当前 桥梁 风工程研 尼驱动使振动发 散 。颤 振是 一种 危险性 的 自激发 散振动 。在桥 究 的重 点 问 题 。 梁抗风设计 中要求发 生危 险性颤 振 的临界 风速 与桥梁 的设计 风
． ２ 静力作用 当风速没超 过 临界风 速 时， 风压产 生 的阻力 、 静 升 ２ ２． 限 幅振 动 它所引起结构 的振幅 有 限， 不会 发 散 ， 在低 风速 时经常发 但 力和扭 转力矩作用会 引起结构 的内力和变形 ； 当达 到或超过 临界
包括 涡激共 振和抖振等 。 风速时 ， 将使结构 出现空气静力失稳 。空气静力失 稳是指结 构在 生 ， １ 抖振 。由短周 期 的脉动 风 引起 的强迫 振动 。根 据紊 流产 ） 给定风速作用下 ， 主梁发生弯 曲和扭 转 ， 一方 面改变 了结构 刚度 ，
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第３ ３卷 第 ２ ４期
２０ ０ ７ 年 ８ 月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥ 兀 瓜 Ｅ
Ｖｏ ＿ ３Ｎｏ ２ Ｉ３ ． ４
Ａ ｇ ２０ ｕ． ０７
・３９ ・ １
文 章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ７ ２ —３ ９０ １０ —８ ５ ２０ ）４０ １ —２
文献标识码 ： Ａ
１ 近地 边界层 风特 性
和气 动非线性后 ， 静力稳定性的临界风速大约要折减 ６ ％左右 。 ０ ３ Ｊ
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西南交通大学风工程研究中心 2012.8
世界范围内的著名悬索桥
世界范围内的著名斜拉桥
世界范围内的著名拱桥
几个问题：
大跨度桥梁会被自然界的风吹毁吗？ 修建大跨度或超大跨度桥梁的制约因素？ 大跨度桥梁在风的作用下会如何表现？ 风洞试验只用于飞行器或汽车吗？
TACOMA桥的风毁
加拿大西安大略大学风洞实验室 Boundary Layer Wind Tunnel of University of Western Ontario
BLWT-2：建于1984年，宽3.4米，最大高 度2.5米，长39米，最大风速30m/s。
BLWT-1 ：建于1965年，宽 2.4米，最大 高度2.1米，长33米，最高速度为15m/s
大跨度桥梁风致振动分类
颤振(Flutter) 驰振(Galloping) 涡振(Vortex-Induced Vibration) 抖振(Buffeting) 雨振(Rain-Induced Vibration)
风对桥梁的作用力
风速 紊流度 漩涡尺度 能量分布
桥梁的振动特性
通过有限元模型计算获得
意大利米兰理工大学风洞 Wind Tunnel at Polytechnic University of Milan，Italy
英国BMT流体力学公司风洞 Wind Tunnel at BMT Fluid Mechanics，Britain
丹麦海洋研究所边界层风洞 Boundary Layer Wind Tunnel at the DMI，Denmark
充分条件： 必要条件： 驰振临界风速计算公式：
其中CL和CD为升力系数和阻力系数，需要通 过静力三分力风洞试验获得。
涡振
限幅振动 影响使用
常遇风速 需要控制
Stronhal数及“锁定”现象
St
fd U
发生涡激共振的结构 的对旋涡的脱落会产
生一种反馈作用，使
旋涡脱落频率在一定
的风速范围内被“俘
获”或“控制”（保
持不变），产生了一
种“锁定”现象。
抖振
有风，有抖振
PSD
位移(mm)
15 10
5 0 -5 -10 -15 -20
0
迎风 侧 背风侧
10
20
30time(s)40
50
60
50
40
30
迎风 侧
20
背风侧
10
0
0
1
2
3
4 fre5quenc6e(hz)7
8
9 10
限幅振动 影响使用 有危害性
抖振力的计算公式
韩国全北国立大学风洞实验室 Wind Tunnel of Chonbuk National University, South Korea
日本鹿岛技术研究所风洞实验室 Wind Tunnel laboratory of Kajima Technical
Research Institute, Japan
XNJD-1风洞建于1989年，为双试验段的回流风洞。 XNJD-2风洞建于2002年，为斜拉索风雨振专用风洞。 XNJD-3风洞建于2008年，为世界第一大的边界层风洞。
表示脉动风速与抖振力之间的转换函数，称 为气动导纳函数，用来修正桥梁断面周围紊流的 非定常性和不完全相关性。对于不同的桥梁断面， 气动导纳是不同的，需要通过风洞试验测定。
斜拉索风雨振
一定的风速 一定的雨量 一定的拉索
损坏拉索 必须避免
风雨振的减振措施
常规的桥梁风洞试验
主梁节段 测量桥梁断面气动力参数，测量主梁的 模型试验 风致振动，主梁断面的气动选型。
大断面：宽4.5米，高2.5米，长27.7米，最大风速40m/s，主要用于高耸和长大结构试验。 小断面：宽2.5米，高2.0米，主要用于风环境试验和节段模型试验
同济大学风洞实验室
TJ-1 大气边界层风洞：实验段 1.8 米高×1.8米宽，风速1～30 米/秒； TJ-2 大气边界层风洞：实验段 2.5 米高×3.0米宽，风速3～67 米/秒； TJ-3 大气边界层风洞：实验段 2.0 米高×15米宽，风速0.5～17 米/秒；
全桥气弹 模型试验
研究大跨度桥梁运营态和典型施工态的 气动弹性行为，包括颤振临界风速，脉 动风作用下桥梁的抖振响应。
桥位处风 环境试验
通过在风洞中模拟实际桥位处的风环境， 获取桥位风场特性，为桥梁的抗风设计提 供必要的风场参数。
风洞介绍（直流风洞）
进气口
第一试验段
三元收缩段
第二试验段 动力段
第一稳定段
长安大学风洞实验室
试验段长15.0 m，试验断面宽3.0 m，高2.5 m，最 大风速53m/s。
湖南大学风洞实验室
高速试验段：长17 m，宽3 .0m，高2.5 m，最大风速60 m /s； 低速试验段：长15 m，宽5.5 m，高4.4 m，最大风速16 m /s 。
西南交通大学风洞实验室
二元收缩段
Hale Waihona Puke 第一扩散段第二扩散段
出气口
风洞介绍（回流风洞）
主梁三分力测试试验
主梁动力模型试验
吊杆及拉索动力模型试验
大比例尺节段模型涡激振动试验
全桥气动弹性模型试验
裸塔气动弹性模型试验
桥位处风环境试验
桥梁风工程的研究机构
加拿大西安大略大学风洞试验室： 丹麦海洋大学风洞试验室； 英国BMT流体力学公司风洞试验室； 意大利米兰理工大学风洞试验室； 日本土木省筑波风洞试验室； 韩国全北现代大学风洞试验室； 中国同济大学、西南交通大学、湖南大学、长安大学
桥梁的自激气动力
运动产生 折算风速 颤振导数
颤振
发散振动 灾难性的
必须避免
桥梁颤振风速的计算公式
Von der Put 公式
Selberg 公式
扭弯频率比越大，颤振临界风速越高. 质量(质惯矩)越大，颤振临界风速越高. 桥。梁越接近流线型，颤振临界风速越高.
驰振
振幅很大 损坏桥梁
必须避免
驰振稳定性判据