淺談風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響

1、淺談風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響 張達(dá) 21312174摘 要 橋梁結(jié)構(gòu)因風(fēng)的作用而遭到破壞的事故屢有發(fā)生。在風(fēng)的作用下大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能設(shè)計和施工的控制性因素尤其重要。通過結(jié)合橋梁風(fēng)工程中己知的風(fēng)的靜力、動力特性，簡述了橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的靜力及動力響應(yīng)的主要形式以及大跨度橋梁設(shè)計時做的針對性的抗風(fēng)設(shè)計。關(guān)鍵詞 橋梁風(fēng)工程 風(fēng)致振動 大跨度橋梁抗風(fēng) 隨著我國交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展，大跨度橋梁(特別是斜拉橋和懸索橋)已成為我國當(dāng)今橋梁建設(shè)中的主流。從80年代以來，大跨度橋梁建設(shè)得到了一個迅速的發(fā)展。但，自1918年起全球至少已有11座懸索橋遭到風(fēng)的影響而受損被毀。其中一個典型的事故是1940年美國塔

2、科馬懸索橋在19m/s的8級大風(fēng)下因扭轉(zhuǎn)而發(fā)生振動而坍塌。塔科馬懸索橋的事故引起了橋梁工程界的震驚，也促進了風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)作用的研究。近年來，國內(nèi)外大跨度斜拉橋梁在下雨時發(fā)生劇烈的“雨振”以及并列布置的斜拉索發(fā)生劇烈的尾流馳振的報道也是越來越多。這些現(xiàn)象都表明了，風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響尤其是風(fēng)對大跨度橋梁的動力作用是橋梁中不容輕視的重要問題。 我們都知道風(fēng)對橋梁的作用是一個十分復(fù)雜的現(xiàn)象。它同時受到風(fēng)的自然特性、橋梁的動力性能以及風(fēng)與橋梁相互作用等3方面的制約。而且風(fēng)在繞過一般為非流線型作用截面的橋梁結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生旋渦和流動的分離，形成復(fù)雜的空氣作用力。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較大時，結(jié)構(gòu)會保持靜止不動，使

3、得這種空氣力的作用只相當(dāng)于靜力作用。但當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較小時，結(jié)構(gòu)振動受到激發(fā)，這時空氣力的作用不僅具有靜力作用，而且具有動力作用。1 風(fēng)的靜力作用 當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大因而幾乎不振動，或結(jié)構(gòu)即使有輕微振動但不顯著影響氣流經(jīng)過橋梁的繞流形態(tài)，因而不影響氣流對橋梁的作用力，此時風(fēng)對橋梁的作用可以近似看作為一種靜力荷載即風(fēng)的靜力作用。風(fēng)的靜力作用指風(fēng)速中由平均風(fēng)速部分施加在結(jié)構(gòu)上的靜壓產(chǎn)生的效應(yīng)。我們可分為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩。它們通常被稱為氣流作用力的三分力，風(fēng)速、橋梁斷面形狀及風(fēng)對橋梁的攻角等因素有關(guān)。在順風(fēng)平均風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓值不隨時間發(fā)生變化，作用于橋梁上的風(fēng)力可能來自任一

4、方向，其中橫橋向水平風(fēng)力最為危險，是主要的計算對象。它所造成的橋梁破壞的特點主要是強度破壞或過大的結(jié)構(gòu)變形。在橋梁的靜風(fēng)作用分析中，通常將風(fēng)荷載換算成靜力風(fēng)荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構(gòu)件上，進行結(jié)構(gòu)的計算分析。橋梁載靜力荷載作用下有可能發(fā)生強度、剛度和穩(wěn)定性問題。如現(xiàn)行橋梁規(guī)程中所規(guī)定的那樣，主要考慮橋梁在側(cè)向風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和變形，另外對于升力較大的情況，也需要考慮豎向升力對結(jié)構(gòu)的作用。對于柔性較大的特大跨度橋梁，則還需要考慮側(cè)向風(fēng)荷載作用下主梁整體的橫向屈曲，其發(fā)生機制類似于橋梁的側(cè)向整體失穩(wěn)向題以及在靜力扭轉(zhuǎn)力矩作用下主梁扭轉(zhuǎn)引起的附加轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的氣動力矩增量超過結(jié)構(gòu)抗力矩

5、時出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。2 風(fēng)的動力作用大跨度橋梁，尤其是對風(fēng)較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋，除需要考慮靜風(fēng)荷載的作用之外，更主要考慮風(fēng)對結(jié)構(gòu)的動力作用。其中對橋梁的動穩(wěn)定性研究尤為重要。顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動穩(wěn)定性問題。風(fēng)的動力作用指橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的空氣彈性動力響應(yīng)，它一般可分為兩大類: 第一類，自激振動。在風(fēng)的作用下，由于結(jié)構(gòu)振動對空氣的反饋作用，振動的結(jié)構(gòu)從空氣中汲取能量，產(chǎn)成一種自激振動機制，如顫振、弛振和渦激振動。若顫振和弛振達(dá)到臨界狀態(tài)時，將出現(xiàn)危險性的發(fā)散狀態(tài)。 第二類，強迫振動。結(jié)構(gòu)在紊流脈動風(fēng)作用下的一種有限振幅的隨機強迫振動，由于脈動風(fēng)的隨機性質(zhì)，這種由陣風(fēng)帶的脈

6、動風(fēng)譜引起的隨機振動響應(yīng)(陣風(fēng)響應(yīng))稱為抖振。渦激振動雖然帶有自激性質(zhì)，但它和顫振或馳振的發(fā)散性振動現(xiàn)象不同，其振動響應(yīng)是一種限幅的強迫振動，故該類振動具有兩重性。 此外，大跨徑斜拉橋中的長拉索在風(fēng)雨共現(xiàn)氣候條件下發(fā)生的所謂風(fēng)雨振現(xiàn)象，常常引發(fā)拉索的大幅振動，有時還會激起橋面的振動，對橋梁的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。2.1 顫振對照旋渦脫落現(xiàn)象,振動的橋梁從流動的風(fēng)中吸收能量,由此引起的不穩(wěn)定被稱為自激振動或顫振。顫振是一種危險性的自激發(fā)散振動，其特點是當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速時,振動著的橋梁通過氣流的反饋作用而不斷地從氣流中獲得能量,而該能量又大于結(jié)構(gòu)阻尼所能耗散的能量,從而使振幅增大形成一種發(fā)散性的振動。對

7、于近流線型的扁平斷面可能發(fā)生類似機翼的彎扭耦合顫振。對于非流線型斷面則容易發(fā)生分離流的扭轉(zhuǎn)顫振。由于流動的風(fēng)對斷面的扭轉(zhuǎn)振動會產(chǎn)生一種負(fù)阻尼效應(yīng),當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速時,空氣的負(fù)阻尼將克服結(jié)構(gòu)自身的正阻尼,從而導(dǎo)致振動的發(fā)散。橋梁發(fā)生何種顫振與主梁截面的氣動外形有這密切關(guān)系，通常來講，主梁截面的流線性越好，氣動穩(wěn)定性越好。因此，在大跨度橋梁的初步設(shè)計階段，有必要對主梁截面進行比選或通過風(fēng)洞試驗對基本截面進行優(yōu)化，以保證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性。 值得指出的是，同一主梁截面在施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)，在來流的不同情況下所發(fā)生的顫振形態(tài)也有所不同。對于扁平截面箱梁，施工階段在水平來流條件下繞流較為平順，通常發(fā)生的是彎

8、扭藕合顫振，但在成橋狀態(tài)安轉(zhuǎn)了欄桿和隔離防欄后，則可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振。同樣，當(dāng)來流具有一定夾角，截面在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的投影面積增大，因而使主梁鈍化，也有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振。 上述2種顫振分析理論可以較好地解決懸索橋的顫振問題。但對于斜拉橋，則會出現(xiàn)多模態(tài)共同參與的顫振，應(yīng)用多模態(tài)顫振分析方法來計算。因而橋梁結(jié)構(gòu)的顫振分析方法可以概括為古典耦合顫振、分離流顫振和多模態(tài)顫振3種。 顫振會引發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)散性失穩(wěn)破壞。盡管顫振是橋梁風(fēng)致振動中最具危害性的現(xiàn)象，但只有精心分析與設(shè)計,輔以風(fēng)洞模型實驗驗證，并采用提高主梁截面抗扭剛度等措施來提高顫振臨界風(fēng)速，就能避免這類現(xiàn)象的發(fā)生。目前，橋梁的顫振問題已基本得到

9、解決。2.2 弛振 弛振是具有特殊橫斷面的細(xì)長結(jié)構(gòu)物典型的不穩(wěn)定性振動，在一定條件下沿橫風(fēng)向會出現(xiàn)大幅度振蕩，一般發(fā)生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面結(jié)構(gòu)中。根據(jù)來流的不同，弛振一般可分為橫流弛振和尾流弛振。結(jié)構(gòu)是否可能發(fā)生馳振，主要取決于結(jié)構(gòu)橫截面的外形。橫風(fēng)向弛振是由體軸升力曲線的負(fù)斜率所引起的發(fā)散振動；尾流弛振是一結(jié)構(gòu)處于另一結(jié)構(gòu)的尾流中由紊流尾流誘導(dǎo)產(chǎn)生的振動。 橫流弛振是由升力曲線(或升力矩曲線)的負(fù)斜率所引起的發(fā)散性自激振動。這種負(fù)斜率使得振動過程中的結(jié)構(gòu)位移始終與空氣力的方向相一致，從而源源不斷地吸收能量，造成類似顫振的不穩(wěn)定振動。橫流弛振一般發(fā)生在具有棱角的非流線型截面的柔

10、性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，懸吊體系橋梁結(jié)構(gòu)中的拉索和吊桿最有可能發(fā)生橫流弛振。橫流馳振研究中最常用的方法是Den Hartog提出的單自由度線性弛振理論。根據(jù)這一理論，Den Har-tog提出了結(jié)構(gòu)弛振失穩(wěn)的判據(jù)。此外，Parkin-son提出了單自由度非線性弛振理論，Blevins建立了兩自由度非線性弛振理論。當(dāng)后一結(jié)構(gòu)處于前一結(jié)構(gòu)的尾流中時,后一結(jié)構(gòu)由于受到前一結(jié)構(gòu)波動尾流的激發(fā)而引起的振動稱為尾流弛振。尾流弛振可以發(fā)生在包括流線型(圓形)截面在內(nèi)的任意形式截面的結(jié)構(gòu)中。與橫流弛振相比，尾流弛振研究成果較少，一般采用Simpson尾流弛振分析方法。2.3 渦振 風(fēng)經(jīng)過各種形狀斷面的鈍體結(jié)構(gòu)時，在其斷

11、面背后產(chǎn)生漩渦的交替脫落，產(chǎn)生交替變化的渦激力而引起的結(jié)構(gòu)振動稱為渦激共振。渦激振動兼有自激振動和強迫振動的性質(zhì)，它是一種發(fā)生在較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動。對渦激振動響應(yīng)的分析，通常采用升力振子模型、經(jīng)驗線性模型和經(jīng)驗非線性模型等來研究。2.4 抖振 抖振是由短周期的脈動風(fēng)引起的強迫振動響應(yīng)。根據(jù)紊流產(chǎn)生原因的不同,抖振又分為來流抖振和尾流抖振。來流抖振是指由來流紊流引起的抖振問題,而尾流抖振是指施加非定常荷載的來流速度脈動明顯與上游物體尾流中脫出的紊流有關(guān)。實際上，橋梁結(jié)構(gòu)中最為常見的是大氣紊流成分引起的抖振。結(jié)構(gòu)的抖振雖然是限幅的隨機強迫振動，但由于誘發(fā)抖振的風(fēng)速較低，過大的抖振響應(yīng)還將導(dǎo)

12、致構(gòu)件較大變形以及結(jié)構(gòu)局部疲勞，同時會引起行人或行車的不舒適。抖振分析業(yè)已成為橋梁抗風(fēng)設(shè)計中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。2.5 拉索的風(fēng)致振動 隨著斜拉橋跨徑的增大，斜拉索的風(fēng)致振動也越來越引起橋梁工程界的廣泛關(guān)注。斜拉索風(fēng)振不僅由于振動產(chǎn)生交變應(yīng)力，引起斜拉索疲勞損傷，而且會使拉索根部的鋼護管產(chǎn)生疲勞破壞，護管封口松動，導(dǎo)致錨頭等處積水，加速拉索腐蝕，最終大大縮短斜拉索使用壽命。拉索風(fēng)致振動的機理很多，現(xiàn)認(rèn)識到的有以下幾種： (1)渦激振動。當(dāng)風(fēng)流經(jīng)圓形的拉索時,在其尾流中將出現(xiàn)交替脫落的旋渦。當(dāng)拉索的卡門渦脫落的頻率接近索橫風(fēng)向振動的某階固有頻率時，將激起拉索該階頻率的橫風(fēng)向振動。由于拉索的基頻較低，

13、相應(yīng)的渦振風(fēng)速也小。一般觀察到的都是3階以上的渦激共振。 (2)尾流弛振。當(dāng)拉索在來流風(fēng)方向前后排列時，在前排拉索的尾流區(qū)形成一個不穩(wěn)定弛振區(qū)，由于前后拉索的固有頻率相近，如果后排拉索位于弛振區(qū)內(nèi)，其振幅就會不斷加大，直至達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)大振幅的極限環(huán)。 (3)參數(shù)共振。當(dāng)橋面的振動頗率和拉索的局部橫向振動頻率接近倍數(shù)關(guān)系時，橋面的微小振動會激發(fā)大振幅的低階拉索振動。 (4)結(jié)冰索的弛振。索表面結(jié)冰而形成弛振不穩(wěn)定氣動外形，引發(fā)拉索弛振，它與結(jié)冰電纜的弛振機理相同。 (5)風(fēng)雨振。伴隨著降雨,在某種風(fēng)向風(fēng)的作用下，雨水沿斜拉索下流時的水道改變了拉索原來的截面形狀，從圓形異化為類似于結(jié)冰電纜的三角形，這種使拉索成為空氣動力不穩(wěn)定的形狀，在一定的臨界風(fēng)速下激發(fā)出類似結(jié)冰電纜的弛振，這種