橋梁抗風(fēng)與風(fēng)洞試驗(yàn)淺析

1、橋梁抗風(fēng)與風(fēng)洞試驗(yàn)淺析 橋梁抗風(fēng)與風(fēng)洞試驗(yàn)淺析 摘要：隨著現(xiàn)代大跨橋梁跨徑記錄不斷被刷新，結(jié)構(gòu)隨之趨于輕柔，阻尼減小，風(fēng)荷載成為很多橋梁設(shè)計(jì)的控制性因素，所以對(duì)于橋梁的抗風(fēng)研究顯得十分必要。本文將探討介紹風(fēng)對(duì)橋梁的作用、橋梁抗風(fēng)的研究方法及目前作為橋梁抗風(fēng)最普遍的研究方法的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：橋梁 抗風(fēng) 風(fēng)洞試驗(yàn) 引言 現(xiàn)代橋梁在跨度、材料、橋型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法等方面都發(fā)生了重大進(jìn)步。進(jìn)入21世紀(jì)以后，科技的進(jìn)步、新材料的開發(fā)和應(yīng)用等使得橋梁向著長大化，輕柔化開展，使其在風(fēng)作用下的非線性特性更加突出，從而提出了橋梁抗風(fēng)研究的精細(xì)化問題。 1風(fēng)對(duì)橋梁的作用 靜風(fēng)荷載 平均風(fēng)產(chǎn)生的靜力荷載稱作

2、靜風(fēng)荷載。靜風(fēng)荷載對(duì)大跨徑橋梁的作用一般簡化為風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的阻力、升力和升力矩的三分力的共同作用。風(fēng)對(duì)橋梁的作用包括順風(fēng)向的阻力FD、豎向升力FL和因升力形成的升力矩FM。 以前人們普遍認(rèn)為大跨橋梁的空氣動(dòng)力臨界風(fēng)速一般都低于空氣靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速，所以自從開始研究橋梁空氣動(dòng)力學(xué)以來，大跨橋梁抗風(fēng)研究主要集中于結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)的問題上。直至1967年日本東京大學(xué)的Hirai教授在懸索橋的全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)中觀察到了空氣靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散現(xiàn)象，空氣靜力穩(wěn)定性問題才逐漸提上議程。 風(fēng)致振動(dòng) 對(duì)于大跨度橋梁而言，當(dāng)斷面形式接近于流線型時(shí)，由于結(jié)構(gòu)剛度小，使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)容易被激發(fā)，風(fēng)作用對(duì)于結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的不僅僅是靜力特性，還有

3、動(dòng)力特性，稱為動(dòng)風(fēng)荷載。風(fēng)的這種動(dòng)力作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，振動(dòng)起來的橋梁又反回來影響風(fēng)的流動(dòng)，改變風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，從而形成了風(fēng)與橋梁的相互作用機(jī)制。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用受結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較小時(shí)，風(fēng)荷載形成一種強(qiáng)迫力，致結(jié)構(gòu)發(fā)生有限振幅的強(qiáng)迫振動(dòng)，包括渦振及抖振；當(dāng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力受到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大時(shí)，風(fēng)荷載受到振動(dòng)結(jié)構(gòu)的制約，主要表現(xiàn)為一種自激力，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)散性自激振動(dòng)，包括顫振和馳振。橋梁風(fēng)荷載及其效應(yīng)如表1所示。 2 橋梁風(fēng)工程的研究方法 橋梁風(fēng)工程的研究方法主要有三種：理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場觀測以及數(shù)值模擬。 理論分析方法就是運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理，建立各類風(fēng)荷載的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)

4、用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法，求解各類風(fēng)致振動(dòng)和穩(wěn)定問題。理論分析方法在建立風(fēng)工程的根本理論方面起著決定性的作用。橋梁風(fēng)工程的進(jìn)一步開展，將有待于根本理論框架的新突破。 風(fēng)洞試驗(yàn)是空氣動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)十分重要且不可替代的手段。進(jìn)行橋梁風(fēng)工程所要求的風(fēng)洞是邊界層風(fēng)洞。這種風(fēng)洞的特點(diǎn)是最高風(fēng)速一般不超過100m/s。 在實(shí)橋上觀察和測量橋梁風(fēng)致振動(dòng)的特性和主要參數(shù)，也是一種研究手段，在橋梁發(fā)生風(fēng)致災(zāi)害時(shí)進(jìn)行觀測，研究價(jià)值較大。這種計(jì)算方法正在迅速開展中，但是要深入了解流體流動(dòng)所引起的眾多復(fù)雜作用，仍然必須進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。 3風(fēng)洞試驗(yàn)分類 按照自身的特點(diǎn)及用途，橋梁模型有全橋模型和節(jié)段模型兩種，因此橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)可

5、分為全橋氣彈模型試驗(yàn)與剛體節(jié)段模型試驗(yàn)。 全橋氣彈模型試驗(yàn) 全橋氣動(dòng)彈性模型可模擬出實(shí)橋的氣動(dòng)外形，也可對(duì)原結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼和頻率等一系列動(dòng)力特性進(jìn)行模擬，能夠考慮高階振型，非理想模態(tài)的參與，氣動(dòng)反響，振型耦合作用等問題。另外全橋氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)要求風(fēng)洞模擬的來流特性要與自然風(fēng)的特性相似，因此可較為全面的反響出橋梁在風(fēng)作用下的實(shí)際響應(yīng)。氣彈模型試驗(yàn)不需要測量風(fēng)荷載，可直接測得結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，解決了試驗(yàn)中剛性模型不能模擬出橋梁結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)與風(fēng)的相互作用問題，是對(duì)橋梁在施工階段，成橋階段等各種不同階段中所具有的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究的重要手段，但全橋氣動(dòng)彈性模型必須滿足各種相似條件，導(dǎo)致模型的制

6、作費(fèi)用非常高。 剛體節(jié)段模型試驗(yàn) 風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用近似被認(rèn)為滿足片條理論，因此橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)可通過節(jié)段模型試驗(yàn)來研究。 節(jié)段模型的模型制作相對(duì)容易，試驗(yàn)費(fèi)用較為低廉，較容易模擬細(xì)部結(jié)構(gòu)，縮尺比大，減小了雷諾數(shù)不一致產(chǎn)生的影響，并且可以方便的模擬阻尼。此外，往往主梁截面的氣動(dòng)性能對(duì)風(fēng)攻角的變化十分的敏感，風(fēng)攻角的變化能夠通過節(jié)段模型試驗(yàn)準(zhǔn)確的控制。 通過橋梁節(jié)段模型試驗(yàn)，可測得橋梁斷面的三分力系數(shù)、氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)；同時(shí)還可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行二自由度的顫振臨界風(fēng)速試驗(yàn)實(shí)測和渦激振動(dòng)響應(yīng)。一般在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段都要利用節(jié)段模型試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)選型，對(duì)于一般大跨度橋梁也要利用節(jié)段模型試驗(yàn)來檢驗(yàn)其氣動(dòng)性能，橋梁節(jié)段模型試驗(yàn)是十分重要的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，也是最廣泛應(yīng)用的風(fēng)洞試驗(yàn)。 結(jié)語 實(shí)踐證明，風(fēng)荷載已成為大跨度橋梁的設(shè)計(jì)控制荷載，而鈍體空氣動(dòng)力學(xué)理論上的缺憾使得風(fēng)洞試驗(yàn)成為橋梁抗風(fēng)性能研究的主要手段。目前橋梁設(shè)計(jì)時(shí)多把節(jié)段模型與氣彈模型試驗(yàn)結(jié)合來考慮，先利用節(jié)段模型修改方便，試驗(yàn)費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，找出氣動(dòng)特性良好的斷面形式，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測；然后再通過全橋氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)評(píng)價(jià)橋梁的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性，再用節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核。 參考文獻(xiàn)： 【1】 陳政清.橋梁風(fēng)工程M. 北京：人民交通出版社，2005. 【2】 項(xiàng)海