浅谈风对桥梁结构的影响

浅谈风对桥梁结构的影响 张达 21312174 摘 要 桥梁结构因风的作用而遭到破坏的事故屡有发生。在风的作用下大跨度

桥梁结构的抗风性能设计和施工的控制性因素尤其重要。通过结合桥梁风工程中己知的风的静力、动力特性，简述了桥梁结构在风作用下的静力及动力响应的主要形式以及大跨度桥梁设计时做的针对性的抗风设计。 关键词 桥梁风工程 风致振动 大跨度桥梁抗风

随着我国交通运输业的不断发展，大跨度桥梁(特别是斜拉桥和悬索桥)已成为我国当今桥梁建设中的主流。从80年代以来，大跨度桥梁建设得到了一个迅 速的发展。但，自1918年起全球至少已有11座悬索桥遭到风的影响而受损被毁。 其中一个典型的事故是1940年美国塔科马悬索桥在19m/s的8级大风下因扭转而发生振动而坍塌。塔科马悬索桥的事故引起了桥梁工程界的震惊，也促进了风对桥梁结构作用的研究。近年来，国内外大跨度斜拉桥梁在下雨时发生剧烈的“雨振”以及并列布置的斜拉索发生剧烈的尾流驰振的报道也是越来越多。这些现象都表明了，风对桥梁结构的影响尤其是风对大跨度桥梁的动力作用是桥梁中不容轻视的重要问题。 我们都知道风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象。它同时受到风的自然特性、桥梁的动力性能以及风与桥梁相互作用等3方面的制约。而且风在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，结构会保持静止不动，使得这种空气力的作用只相当于静力作用。但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。 1 风的静力作用 当结构刚度较大因而几乎不振动，或结构即使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为一种静力荷载即风的静力作用。 风的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。我们可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。它们通常被称为气流作用力的三分力，风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。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，作用于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。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。 桥梁载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，另外对于升力较大的情况，也需要考虑竖向升力对结构的作用。对于柔性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向题以及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加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。 2 风的动力作用 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，更主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。颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。 风的动力作用指桥梁结构在风作用下的空气弹性动力响应，它一般可分为两大类: 第一类，自激振动。在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。若颤振和弛振达到临界状态时，将出现危险性的发散状态。 第二类，强迫振动。结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，由于脉动风的随机性质，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应(阵风响应)称为抖振。涡激振动虽然带有自激性质，但它和颤振或驰振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种限幅的强迫振动，故该类振动具有两重性。 此外，大跨径斜拉桥中的长拉索在风雨共现气候条件下发生的所谓风雨振现象，常常引发拉索的大幅振动，有时还会激起桥面的振动，对桥梁的安全构成严重威胁。 2.1 颤振 对照旋涡脱落现象,振动的桥梁从流动的风中吸收能量,由此引起的不稳定被称为自激振动或颤振。颤振是一种危险性的自激发散振动，其特点是当达到临界风速时,振动着的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量,而该能量又大于结构阻尼所能耗散的能量,从而使振幅增大形成一种发散性的振动。对于近流线型的扁平断面可能发生类似机翼的弯扭耦合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振。由于流动的风对断面的扭转振动会产生一种负阻尼效应,当达到临界风速时,空气的负阻尼将克服结构自身的正阻尼,从而导致振动的发散。 桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有这密切关系，通常来讲，主梁截面的流线性越好，气动稳定性越好。因此，在大跨度桥梁的初步设计阶段，有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化，以保证结构的抗风安全性。 值得指出的是，同一主梁截面在施工状态和成桥状态，在来流的不同情况下所发生的颤振形态也有所不同。对于扁平截面箱梁，施工阶段在水平来流条件下绕流较为平顺，通常发生的是弯扭藕合颤振，但在成桥状态安转了栏杆和隔离防栏后，则可能发生扭转颤振。同样，当来流具有一定夹角，截面在垂直于风向平面内的投影面积增大，因而使主梁钝化，也有可能发生扭转颤振。 上述2种颤振分析理论可以较好地解决悬索桥的颤振问题。但对于斜拉桥，则会出现多模态共同参与的颤振，应用多模态颤振分析方法来计算。因而桥梁结构的颤振分析方法可以概括为古典耦合颤振、分离流颤振和多模态颤振3种。 颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只有精心分析与设计,辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。 2.2 弛振 弛振是具有特殊横断面的细长结构物典型的不稳定性振动，在一定条件下沿横风向会出现大幅度振荡，一般发生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面结构中。根据来流的不同，弛振一般可分为横流弛振和尾流弛振。结构是否可能发生驰振，主要取决于结构横截面的外形。横风向弛振是由体轴升力曲线的负斜率所引起的发散振动；尾流弛振是一结构处于另一结构的尾流中由紊流尾流诱导产生的振动。 横流弛振是由升力曲线(或升力矩曲线)的负斜率所引起的发散性自激振动。这种负斜率使得振动过程中的结构位移始终与空气力的方向相一致，从而源源不断地吸收能量，造成类似颤振的不稳定振动。横流弛振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体系桥梁结构中的拉索和吊杆最有可能发生横流弛振。横流驰振研究中最常用的方法是Den Hartog提出的单自由度线性弛振理论。根据这一理论，Den Har-tog提出了结构弛振失稳的判据。此外，Parkin-son提出了单自由度非线性弛振理论，Blevins建立了两自由度非线性弛振理论。当后一结构处于前一结构的尾流中时,后一结构由于受到前一结构波动尾流的激发而引起的振动称为尾流弛振。尾流弛振可以发生在包括流线型(圆形)截面在内的任意形式截面的结构中。与横流弛振相比，尾流弛振研究成果较少，一般采用Simpson尾流弛振分析方法。 2.3 涡振 风经过各种形状断面的钝体结构时，在其断面背后产生漩涡的交替脱落，产生交替变化的涡激力而引起的结构振动称为涡激共振。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。对涡激振动响应的分析，通常采用升力振子模型、经验线性模型和经验非线性模型等来研究。 2.4 抖振 抖振是由短周期的脉动风引起的强迫振动响应。根据紊流产生原因的不同,抖振又分为来流抖振和尾流抖振。来流抖振是指由来流紊流引起的抖振问题,而尾流抖振是指施加非定常荷载的来流速度脉动明显与上游物体尾流中脱出的紊流有关。实际上，桥梁结构中最为常见的是大气紊流成分引起的抖振。结构的抖振虽然是限幅的随机强迫振动，但由于诱发抖振的风速较低，过大的抖振响应还将导致构件较大变形以及结构局部疲劳，同时会引起行人或行车的不舒适。抖振分析业已成为桥梁抗风设计中相当重要的环节。 2.5 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。当拉索的卡门涡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。 3 结语 风对结构的作用不仅是静力问题，对于大跨度柔度桥梁，各类风致振动更是抗风设计时的主要内容。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。 随着桥梁跨径和桥梁断面的复杂化，桥梁的气动稳定性越来越复杂，大多需要做风洞试验确定三分力系数，并需要建立相应的模型做动力响应分析，以最终确定桥梁结构的抗风设计是否通过，不通过还需重复上面所述几个步骤，直至抗风设计通过。