大跨度悬索桥抗风讲座报告

讲座报告（四）姓名：顾尚廉 学号；1130519导师：周志勇浅谈大跨度桥梁的抗风问题听大跨度桥梁的极限跨径和抗风挑战有感听完葛老师大跨度桥梁的极限跨径和抗风挑战讲座后，对于在本科期间从未了解过桥梁抗风问题的桥梁系研一学生的我来说，对大跨径桥梁的跨径极限和抗风问题有了一个初步的认识，也使我明确了以后学习和研究的方向。下面我简单的介绍一下我对桥梁抗风问题的一些浅显认识。0前言风灾是自然灾害中发生最频繁的一种，桥梁的风害事故屡见不鲜。风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约。当风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，结构保持静止不动，这种空气力的作用只相当于静力作用。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对桥梁抗风问题的重视1940年，塔科马大桥的风毁事故引起了人们对桥梁抗风问题的重视和研究随着桥梁跨径的不断增大，桥梁结构日趋轻柔化，抗风问题才显得日益突出，特别是大跨度悬索桥的抗风稳定问题已经成为直接影响跨度进一步增大的关键因素。2风对桥梁结构的作用2.1.风的静力作用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，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。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，作用与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。2.2风的动力作用风的动力作用指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fBufetting3。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。2.2.1涡振风流经过各种断面形状的钝体结构时，在其断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落，产生交替变化的涡激力而引起的结构振动称为涡激振动。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。通常情况下，涡激振动的振幅很小，但当旋涡脱落频率与结构的固有频率相接近时，流体与结构间产生强烈的相互作用引起涡激共振。同时也将产生“锁定”现象。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。2.2.2 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藕合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振。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。2.2.3 抖振抖振可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果。按来流的不同可分为：上游临近结构物尾流引起的抖振；结构物后本身紊流引起的抖振；大气紊流引发的抖振。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。桥梁抖振分析目前主要有三种方法，即基于Sear和Liepmann的机翼抖振理论的Davenport理论，考虑自激力影响的Seanlan颤抖振理论以及建立在随机稳定理论基础上的YK“n随机抖振理论。2.2.4 驰振驰振是一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动，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，驰振一般可分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线(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。横流驰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驰振。横流驰振研究中最常用的方法是DenHartog提出的单自由度线性驰振理论。根据这一理论，DenHartog提出了结构驰振失稳的判据。此外，Parkinson提出了单自由度非线性驰振理论，Blevins建立了两自由度非线性驰振理论。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驰振。尾流驰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。与横流驰振相比，尾流驰振研究成果较少，一般采用Simpson尾流驰振分析方法。3斜拉桥的抗风3.1斜拉桥的抗风问题 斜拉桥的风振问题不仅限于梁体的振动，同时还有桥塔和斜拉索的振动。除此之外，当两桥并列或两斜拉索并列布置时，由于上流侧梁体或者斜拉索的阻风作用产生的乱流会引起下流测梁体或斜拉索发生不规则的振动。另外，斜拉桥的风振问题不仅要考虑成桥后的情况，同时还要考虑架设时的情况。3.1.1梁体的风振梁体采用扁平截面时不易产生挠曲发散振动，从抗风性能的观点来看，梁体的宽高比值宜尽量大一些，作成比较扁平的形状。箱形截面的梁体由于其抗扭刚度较大，扭振频率较高，故产生扭曲发散振动所需的风速也较高；开口截面的抗扭刚度虽然较小，但只要配以斜索面和 A形或倒 Y形桥塔，就能在成桥以后或悬臂施工阶段获得很好的抗扭性能和足够大的抗风稳定性。涡振能在比较低的风速下发生，其发生概率较高。因此，它会使结构物产生疲劳、行车障碍及诱发过桥者的不安感。仅依靠增大结构刚度来防止发生涡振常常是较困难的。因此首先要选择良好的梁体截面，然后再通过风洞试验来选用各种整流装置，如流线型风咀 (fair2ing)、整流翼板 (flap)等或在梁体内安装 TMD等。 3.1.2桥塔的风振斜拉桥桥塔的塔柱常采用矩形截面 (实体的或空心的)，要考虑涡振与挠曲驰振的问题。斜拉桥在架设过程中，由于一般风速不会太大，故桥塔的风振以涡振为主。斜拉桥在成桥后，特别是独柱式桥塔，由于斜拉索的补强效果较弱，在桥梁的横向常会发生显著的风振问题。大跨径斜拉桥由于跨径较大，相对来说，塔的刚度和阻尼较小，因此，可安装滑移块 ( sliding block)或调质减振器来增加塔柱的阻尼，用以减缓风振。由于混凝土斜拉桥主梁的宽高比与钢斜拉桥的大致相同或更大，其梁重或固有振动频率也较钢斜拉桥大，且混凝土结构的阻尼亦明显大于钢结构，因此，混凝土斜拉桥的梁与塔的抗风振性能要优于钢斜拉桥。 3.1.3斜拉索的风振斜拉索的风致振动大致分为涡振、尾流驰振及雨振 3类，其中雨振已成为上世纪 90年代的研究热点。最近的研究结果表明，直径在 80200mm的光滑索表面，当斜拉索阻尼低于 =0.01时，则会发生斜拉索风雨振动，而平行钢丝索的直径正落在这一范围。解决的办法是 :（1）采用非光滑、非圆形的索表面；（2）在索端使用有效的阻尼装置；（3）采用抗风索干扰斜拉索的振动。研制一种可安装在钢套筒中的高效的斜拉索阻尼装置应当是首选的解决斜拉索振动的措施，因为表面非光滑处理可能会带来积灰、外观效果不好的负面作用。3.2斜拉桥的抗风措施3.2.1主梁的抗风措施主梁的抗风制振发生在主梁上的风的动态相应最多，由于梁体具有一定的高度，主梁的涡激振比较明显，可在边梁外附加风嘴和安装导流板。驰振多发生在气流完全剥离的情况。在箱梁上安装整流板较为有效，可以将完全剥离的气流变为再附着型气流。对于颤振的影响，可以设置上下贯通的通风孔。 3.2.2主塔的抗风措施斜拉桥主塔的截面一般为矩形，容易产生完全剥离的涡激振和驰振，而且随着塔高的增加，刚度减小，施工和成桥都可能产生风振。由于斜拉桥主塔的外形要考虑景观的要求，一般不宜做改动。当塔不是很高时，可以采用防振索和摩擦滑块制振；但当塔高到一定程度时，难以架设防振索，这时可采用各种阻尼器。 3.2.3斜拉索的制振一般情况下，索的断面为圆形，且面积较小，纯粹的由风带来的能量不高，因而振幅很小问题不大。但是当处于下雨天气时，拉索表面形成沿索流下的水流，吹风时易产生驰振，这种现象就称为风雨振。一般索的抗风制振措施都是以增加索的阻尼为目的，可以在上下平行的拉索之间用钢丝绳连接，也可以安装一些油压阻尼器，以增大阻尼。4悬索桥的抗风4.1悬索桥的抗风问题悬索桥是由缆索、吊杆、塔柱、加劲梁和锚锭等几个部分组成的, 类似于斜拉桥, 悬索桥最为突出的优点是跨越能力大, 目前国外最大跨径已接近日本的明石海峡大桥。但是, 悬索桥由于结构的长大特性, 决定其具有较大的柔性, 其刚度较之斜拉桥等要小得多, 加之, 其桥址多处于地貌空旷处, 因而风荷载在设计中往往起控制作用, 不仅要计人风的静力作用, 同时更要考虑风的动力响应, 历史上曾有数座悬索桥因风激振动而破坏4.2悬索桥的抗风措施通过上述对作用于悬索桥上的风响应分析可知, 风荷载的响应是多方面的, 极其复杂的。有些风激振一旦发生便会使桥梁结构发生破坏, 有些风激振即使不会使桥梁结构发生破坏, 也会使结构出现疲劳、安全使用等方面的问题, 另一方面, 悬索桥是由很多部分组成, 因为风荷载响应与结构体型有密切关系, 所以对悬索桥来讲, 各个组成部分体型不同, 起主导控制作用的风响应又不尽相同, 使悬索桥整体受风荷载作用更趋复杂。要消除或减少风荷载对悬索桥结构的影响, 就要提高其刚度, 减小柔度, 增加风动力稳定性。5结论我们应该认识到：大多数控制措施还只停留在理论或试验研究阶段,