橋梁抗風基礎

1、 橋梁風振概述橋梁風振概述1 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風致病害典型案例橋梁風致病害典型案例 橋梁風振的主要形態(tài)橋梁風振的主要形態(tài) 橋梁風工程的主要研究方法橋梁風工程的主要研究方法 橋梁風致振動的減振措施橋梁風致振動的減振措施2 橋名：美國塔科馬橋 時間：1940年11月 風速：19 m/s(8級風）v大跨橋梁風致災害大跨橋梁風致災害橋梁風振概述橋梁風振概述3 橋名：廣東某橋 時間：2006年10月 風速：12m/s（6級風）w 橋名：日本名港西橋名：日本名港西大橋大橋w 時間：時間：1987年年10月月w 風速：風速：10m/s（5級風）級風）橋梁風振概述橋梁風振概述4 1818-184

2、01818-1840年風毀橋梁案例年風毀橋梁案例5橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述6 橋梁風振概述橋梁風振概述7 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述12 橋梁風振概述橋梁風振概述13 橋梁風振概述橋梁風振概述14 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 橋梁風振概述橋梁風振概述 氣動彈性現(xiàn)象：氣動彈性現(xiàn)象：氣流中的彈性體發(fā)生變形或振動，從而改變氣氣流中的彈性體發(fā)生變形或振動，從而改變氣流邊界條件，引起氣流力的變化，反過來又引起彈性體新的變形流邊界

3、條件，引起氣流力的變化，反過來又引起彈性體新的變形與振動，這種與振動，這種氣流力與結構相互作用的現(xiàn)象即為氣動彈性現(xiàn)象氣流力與結構相互作用的現(xiàn)象即為氣動彈性現(xiàn)象。顫振：顫振：扭轉發(fā)散振動或彎扭發(fā)散振動。如塔克馬橋的橋面扭轉扭轉發(fā)散振動或彎扭發(fā)散振動。如塔克馬橋的橋面扭轉振動，飛機機翼振動振動，飛機機翼振動馳振：馳振：細長結構因氣流自激作用發(fā)生的純彎曲大幅振動。如結細長結構因氣流自激作用發(fā)生的純彎曲大幅振動。如結冰電線振動，塔柱、吊桿、拉索容易產生馳振形象。冰電線振動，塔柱、吊桿、拉索容易產生馳振形象。橋梁風振概述橋梁風振概述19 抖振：抖振：氣流力受結構振動影響較小，氣流力是一種強迫力，主氣流力

4、受結構振動影響較小，氣流力是一種強迫力，主要是大氣紊流導致結構強迫振動。要是大氣紊流導致結構強迫振動。渦振：渦振：大跨度橋梁在低風速下容易發(fā)生的一種大跨度橋梁在低風速下容易發(fā)生的一種風致振動。風致振動。橋梁風振概述橋梁風振概述20 橋梁風振的研究方法橋梁風振的研究方法 運用空氣動力學原理，建立各類風荷載的數(shù)學模型，應運用空氣動力學原理，建立各類風荷載的數(shù)學模型，應用結構動力學的方法，求解各類風致振動及其穩(wěn)定性。用結構動力學的方法，求解各類風致振動及其穩(wěn)定性。 西奧多爾森西奧多爾森(Theodorsen)(Theodorsen)理想平板顫振自激力理論；斯理想平板顫振自激力理論；斯坎倫坎倫(Sca

5、nlan)(Scanlan)橋梁斷面顫振理論；達文波特（橋梁斷面顫振理論；達文波特（DavenportDavenport）抖振準定常理論。抖振準定常理論。 橋梁風工程的進一步發(fā)展，有待于基本理論框架的新突橋梁風工程的進一步發(fā)展，有待于基本理論框架的新突破。破。理論分析理論分析橋梁風振概述橋梁風振概述21 目前，風洞試驗是一個十分重目前，風洞試驗是一個十分重要且不可替代的手段。風洞試驗包括：要且不可替代的手段。風洞試驗包括：節(jié)段模型試驗，全橋模型試驗等。節(jié)段模型試驗，全橋模型試驗等。風洞試驗風洞試驗橋梁風振概述橋梁風振概述22 目前，風洞試驗是一個十分重目前，風洞試驗是一個十分重要且不可替代的手

6、段。風洞試驗包括：要且不可替代的手段。風洞試驗包括：節(jié)段模型試驗，全橋模型試驗等。節(jié)段模型試驗，全橋模型試驗等。中南大學橋梁工程系中南大學橋梁工程系風洞試驗風洞試驗第六章第六章 橋梁風振概述橋梁風振概述 武漢陽邏長江大橋成橋武漢陽邏長江大橋成橋態(tài)橋梁風振概述橋梁風振概述24 安慶鐵路長江大橋安慶鐵路長江大橋橋梁風振概述橋梁風振概述 滬通鐵路長江大橋滬通鐵路長江大橋均勻流場（成橋無車狀態(tài)）均勻流場（成橋無車狀態(tài)）橋梁風振概述橋梁風振概述 紊流場（紊流場（ 成橋無車狀態(tài)，模擬大氣邊界層）成橋無車狀態(tài)，模擬大氣邊界層）滬通鐵路長江大橋滬通鐵路長江大橋橋梁風振概述橋梁風振概述27 28橋梁風振概述橋梁

7、風振概述 實橋測量風振特征與參數(shù)，是一種很好的研究手段，尤實橋測量風振特征與參數(shù)，是一種很好的研究手段，尤其是橋梁發(fā)生風致病害時，研究價值更大。塔克馬橋的實況其是橋梁發(fā)生風致病害時，研究價值更大。塔克馬橋的實況錄像為橋梁事故原因分析以及橋梁風工程發(fā)展起到了重要的錄像為橋梁事故原因分析以及橋梁風工程發(fā)展起到了重要的推動作用。推動作用?，F(xiàn)場觀測現(xiàn)場觀測橋梁風振概述橋梁風振概述29 應用計算流體力學應用計算流體力學方法，在計算機上實現(xiàn)橋方法，在計算機上實現(xiàn)橋梁風振全過程，稱為數(shù)值梁風振全過程，稱為數(shù)值風洞技術。風洞技術。數(shù)值模擬數(shù)值模擬橋梁風振概述橋梁風振概述30 橋梁風振的減振措施橋梁風振的減振措

8、施 引起橋梁振動的風荷載性質與橋梁外形有關。在不改變橋引起橋梁振動的風荷載性質與橋梁外形有關。在不改變橋梁結構與使用性能的前提下，適當改變橋梁外形或附加一些導梁結構與使用性能的前提下，適當改變橋梁外形或附加一些導流裝置，往往可以減輕橋梁風振。如：流裝置，往往可以減輕橋梁風振。如：空氣動力學措施空氣動力學措施 加裝風嘴、中央開槽、穩(wěn)定板，使橋梁截面接近流線型，加裝風嘴、中央開槽、穩(wěn)定板，使橋梁截面接近流線型，避免或推遲漩渦脫落發(fā)生，增大豎向振動空氣阻尼。避免或推遲漩渦脫落發(fā)生，增大豎向振動空氣阻尼。橋梁風振概述橋梁風振概述31 橋梁風振概述橋梁風振概述32 加裝風嘴、中央開槽、穩(wěn)定板，使橋梁截面

9、接近流線型，加裝風嘴、中央開槽、穩(wěn)定板，使橋梁截面接近流線型，避免或推遲漩渦脫落發(fā)生，增大豎向振動空氣阻尼。避免或推遲漩渦脫落發(fā)生，增大豎向振動空氣阻尼。橋梁風振概述橋梁風振概述33 機械減振措施機械減振措施 加阻尼器（如加阻尼器（如TMDTMD，磁流變阻尼器）。，磁流變阻尼器）。橋梁風振概述橋梁風振概述34 風雨振動風雨振動是是2020世紀世紀8080年代才發(fā)現(xiàn)的一種斜拉索風致振動現(xiàn)年代才發(fā)現(xiàn)的一種斜拉索風致振動現(xiàn)象。就目前的共識而言，認為風雨振動是指在一定風速象。就目前的共識而言，認為風雨振動是指在一定風速范圍內，由于風、雨聯(lián)合作用而引起的、處于一定姿態(tài)范圍內，由于風、雨聯(lián)合作用而引起的、

10、處于一定姿態(tài)的斜拉索的大振幅振動。下雨時當風的作用方向與斜拉的斜拉索的大振幅振動。下雨時當風的作用方向與斜拉索的下坡一致時，在斜拉索的表面會形成上下兩條通道，索的下坡一致時，在斜拉索的表面會形成上下兩條通道，雨振即為由于這些通道的形成，使斜拉索的截面變?yōu)閷τ暾窦礊橛捎谶@些通道的形成，使斜拉索的截面變?yōu)閷諝鈩恿Σ环€(wěn)定時所發(fā)生的振動?？諝鈩恿Σ环€(wěn)定時所發(fā)生的振動。 日本名港西大橋、荒津大橋、丹麥法羅橋及我國楊浦日本名港西大橋、荒津大橋、丹麥法羅橋及我國楊浦大橋、武漢長江二橋、南京二橋、江西湖口大橋、鄂黃大橋、武漢長江二橋、南京二橋、江西湖口大橋、鄂黃長江大橋、洞庭湖大橋等的斜拉索的均出現(xiàn)過強烈的

11、風長江大橋、洞庭湖大橋等的斜拉索的均出現(xiàn)過強烈的風雨振動。名港西大橋觀測到的最大風雨振動振幅達雨振動。名港西大橋觀測到的最大風雨振動振幅達0.550.55米，洞庭湖大橋的最大振幅也超過米，洞庭湖大橋的最大振幅也超過0.400.40米米。 橋梁風振概述橋梁風振概述35 風雨振動橋梁風振概述橋梁風振概述36 雨振特點：雨振特點：1、雨振常發(fā)生在斜拉索表面為光滑時；其直徑為范圍為、雨振常發(fā)生在斜拉索表面為光滑時；其直徑為范圍為80200mm（也有文獻認為在（也有文獻認為在140225mm），相應的雷諾），相應的雷諾數(shù)范圍為：數(shù)范圍為：61042105；2、它是在風速為、它是在風速為618m/s的范圍

12、內所發(fā)生的一種有限振動；的范圍內所發(fā)生的一種有限振動；3、發(fā)生的頻率處于、發(fā)生的頻率處于3Hz以下的范圍內；以下的范圍內；4、結構阻尼增加后振幅減少，如附加對數(shù)衰減率為、結構阻尼增加后振幅減少，如附加對數(shù)衰減率為0.020.03的結構阻尼后即可制振。的結構阻尼后即可制振。 5、風雨振動易發(fā)生于位于平坦地區(qū)或跨海的橋梁上；、風雨振動易發(fā)生于位于平坦地區(qū)或跨海的橋梁上； 6、以面內振動為主；、以面內振動為主； 7、斜拉索的水平偏角在、斜拉索的水平偏角在30O80O之間（也有文獻認為在之間（也有文獻認為在20O60O）；）；橋梁風振概述橋梁風振概述37 目前國內外抑制斜拉索雨振的措施主要包括兩類:

13、阻尼措施，即通過外加阻尼器增加系統(tǒng)的總體阻尼，從而達到減振、抑振的作用；阻尼比要求大于0.35%即可（對數(shù)衰減率大于0.02）。 氣動措施，即通過改變索的表面狀態(tài)，使索的氣動性能、親水性能及索表面水的流動性能發(fā)生改變，從而在本質上減弱或消除雨振的發(fā)生機制，常用方法包括在索表面施加凹坑或螺旋線。凹坑易被灰塵添滿而失去作用，而螺旋線會增大拉索的氣動阻力， 對于大跨度公路橋梁來說，索上風載占比較大，因而受影響較大。 一般認為鋼膠線索阻尼大于平行鋼絲索，不易發(fā)生風雨振動。 把拉索從外索至內索相互連接起來，通過連接件的伸縮來消能，同時利用各根索固有頻率的不同所產生的干擾效應來傳遞能量以達到抑振的目的風雨

14、振的發(fā)振機理目前還不是十分清楚，但上述兩抑振措施被證明是十分有效的。風雨振發(fā)振對雨量、風向、風特性、索表面特性均有要求，制約因素很多，因而目前實驗室雖能再現(xiàn)風雨振，但對具體橋來說難以明確其會否發(fā)生風雨振。橋梁風振概述橋梁風振概述38 輔助索輔助索 阻尼器阻尼器 氣動措施氣動措施 經過多年理論研究及工程實踐，目前已經采用的斜拉索減經過多年理論研究及工程實踐，目前已經采用的斜拉索減振措施包括結構措施與氣動措施兩大類，其中機械措施又振措施包括結構措施與氣動措施兩大類，其中機械措施又包括附設阻尼器及輔助索兩種方法。包括附設阻尼器及輔助索兩種方法。 n平行或螺旋肋條、平行縱向刻槽、圓形或橢圓形凹坑平行或

15、螺旋肋條、平行縱向刻槽、圓形或橢圓形凹坑橋梁風振概述橋梁風振概述39 即用數(shù)道細索將部分或全部主索連接起來，通過將原本獨即用數(shù)道細索將部分或全部主索連接起來，通過將原本獨立的各主索彼此聯(lián)成一個索網(wǎng)，使原來各主索獨立的振動立的各主索彼此聯(lián)成一個索網(wǎng)，使原來各主索獨立的振動被約束成索網(wǎng)系統(tǒng)的整體振動，從而提高了主索的剛度。被約束成索網(wǎng)系統(tǒng)的整體振動，從而提高了主索的剛度。輔助索又分為將其連接到橋面上的錨固式和不連接到橋面輔助索又分為將其連接到橋面上的錨固式和不連接到橋面上非錨固式兩種形式。上非錨固式兩種形式。HartmanHartman橋減振副索示意圖橋減振副索示意圖 橋梁風振概述橋梁風振概述40 法法國國諾諾曼曼底底大大橋橋的的減減振振副副索索 橋梁風振概述橋梁風振概述41 阻尼器阻尼器 即在斜拉索的主梁錨固端附近增設阻尼器或吸振器，以提高即在斜拉索的主梁錨固端附近增設阻尼器或吸振器，以提高斜拉索的阻尼。斜拉索的阻尼。 油壓式阻尼器（油壓式阻尼器（Oil DamperOil Damper） 粘性剪切型阻尼器（粘性剪切型阻尼