风对桥梁结构产生影响的研究与思考

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一、风静力对桥梁结构的影响

　　当结构刚度较大因而几乎不振动,或结构虽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。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问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。

　　在考虑风对桥梁的静稳定性影响时,扭转发散是桥梁静稳定问题中最典型的一种。用线性理论方法研究桥梁的扭转发散时,认为桥梁扭转发散临界风速远高于桥梁颤振临界风速;但是随着桥梁跨度超出1000m以后,非线性效应逐渐增大,日本东京大学和同济大学在全桥模型风洞试验中都在颤振发生前观察到扭转发散现象,这也是在大跨度桥梁的设计中应该注意到的一个问题。

　　二、风动力对桥梁结构的影响

　　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。

　　1、颤振

　　颤振是桥梁结构在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下产生的一种发散振动,是在一定的临界风速下结构振动振幅急剧增加而会导致结构毁坏的一种发散振动。发散振动是一种空气动力失衡现象,它主要是因为结构的运动(振动)影响了气流经过桥梁时的绕流状态,因而影响了气动力,从而产生一种所谓自激力,结构在自激力作用下振幅越来越大最后导致动力失稳。由于这种振动一经发生就会导致结构的整体破坏,因而在抗风设计中,要求发生颤振的临界风速大于主梁的设计风速并留有一定的安全余量。

　　颤振可以分为两类,一是扭转颤振,美国塔科马悬索桥即是因其主梁为流线性型较差的钝体而发生这类发散振动而毁坏的;二是弯扭耦合颤振,常见于流线性较好扁平截面梁情况,其发生机制类似于机翼的古典颤振。

　　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,通常发生的是弯扭耦合颤振,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。

　　桥梁弯扭耦合颤振的临界风速与桥梁自振时的扭转频率与竖向弯曲频率之比有着密切的关系,且扭转频率比愈大则临界风速愈高,而扭转颤振则主要与桥梁的最低阶扭转频率有关,临界风速与之呈正比关系。总之,桥梁的抗扭刚度对于保证桥梁的抗风稳定性具有重要意义。

　　2、 抖振

　　抖振又称为阵风相应,它主要由大气中的紊流成份(即脉动风)所激起,是一种随机强迫振动。虽然是一种限幅振动,但由于发生抖振的风速低,频率大,会导致结构局部疲劳,影响行人和车辆行驶的安全性,因此桥梁抗风设计时也要进行抖振相应分析。近年来,随着对抖振机理的深入认识,提出了一种新的抖振响应分析方法,在频域抖振相应分析中考虑了任意运动的自激力,以及在大变形下桥梁结构非线性的是与抖振响应分析方法,提高抖振响应分析的可信度。同济大学对桥梁抖振相应分析方法进行了简化,给出了实用的计算公式。

　　对抖振的研究表明:随着桥梁跨度的增大,结构的柔性增加,抖振也会相应增大;且随着风速的增大,抖振相应(振幅及结构内力)会成倍增大。因此,对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁,尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥,抗风设计中必须对抖振相应进行检算。

　　三、有待进一步研究的问题

　　经过国内外学者多年的努力,在桥梁抗风领域取得了一系列研究成果,对于桥梁抗风设计具有重要的参考价值。通过已有研究成果的分析发现以下两个方面有待进一步深入研究。

　　1、桥梁断面的气动参数

　　桥梁断面的气动力(力矩)系数,气动导数和气动导纳是桥梁抗风设计中的重要气动参数。气动力(力矩)主要用于桥梁的稳定性分析,通过节段模型可以准确进行测量。

　　气动导数主要用于桥梁的颤振分析,通过节段模型风洞试验的方法进行测量,气动导数的测量精度对确定桥梁颤振临界风速有重要的影响,特别是当桥梁颤振是多振型、多变量耦合的形态时更是如此。在风洞试验中用节段末年高兴测量气动导数时,要求在耦合振动试验中,模型以纯单一模态运动,但实际上很难做到,因此,如何从风洞试验技术和数据处理方法这两方面来提高气动导数的测量精度是目前研究工作的重点,如何从风洞试验技术和数据处理方法这两个方面来提高气动导数的测量精度是目前研究工作的重点。另外,通过不同桥梁断面形状在不同风速和不同湍流度下的系列试验建立一个气动导数的计算公式,亦是一个研究内容。

　　气动导纳主要用于考虑抖振动的非定常效应,在研究大跨度桥梁抖振响应时有很重要的作用。目前,对流线性的桥梁断面可采用平板或翼型气动导纳的Sears函数来考虑抖振力的非定常效应,但是,对于复杂的桥梁断面形状,这种方法会产生误差。因此,对气动导纳的研究亦应十分关注。气动导纳的研究工作还有待进一步深入,特别是在湍流场中如何准确建立钝体的非线性、非定常气动力学模型。

　　2、桥梁的拉索振动

　　桥梁的拉索振动的形式有涡激振动、尾流振动、参数共振和斜索雨振等,其中研究的重点应该是斜索雨振。

　　下雨时,大跨度斜拉桥的斜索在一定的风速和风向范围内会引成一条稳定的上水路,发生大幅度的振动,称为雨振。这种振动会引起相邻斜索的碰撞,使其保护皮破损;还会使斜索末端禁固件产生疲劳损伤,导致减震器损坏,危及桥梁的安全。我国上海南浦大桥、杨浦大桥和武汉长江二桥建成后相继观察到斜索雨振现象。国内为对斜索雨振的机理进行了很多研究,除了用驰振理论解释外,还有用二次流理论和能量输入理论来解释雨振现象。中国空气动力研究与发展中心对斜索雨振现象进行了风洞试验,通过测量雨振斜索上的脉动压力分布来研究影响雨振的因素,并将雨振脉动压力积分得到的非定常气动力模型引入斜索雨振时的振幅计算。有关斜索雨振的机理还有待进一步研究。

　　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。最后指出了有关风对桥梁作用的研究中,需要进一步研究桥梁断面的气动参数和桥梁拉索振动这两个问题。