桥梁抗风基础

1、 桥梁风振概述桥梁风振概述1 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风致病害典型案例桥梁风致病害典型案例 桥梁风振的主要形态桥梁风振的主要形态 桥梁风工程的主要研究方法桥梁风工程的主要研究方法 桥梁风致振动的减振措施桥梁风致振动的减振措施2 桥名：美国塔科马桥 时间：1940年11月 风速：19 m/s(8级风）v大跨桥梁风致灾害大跨桥梁风致灾害桥梁风振概述桥梁风振概述3 桥名：广东某桥 时间：2006年10月 风速：12m/s（6级风）w 桥名：日本名港西桥名：日本名港西大桥大桥w 时间：时间：1987年年10月月w 风速：风速：10m/s（5级风）级风）桥梁风振概述桥梁风振概述4 1818-184

2、01818-1840年风毁桥梁案例年风毁桥梁案例5桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述6 桥梁风振概述桥梁风振概述7 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述12 桥梁风振概述桥梁风振概述13 桥梁风振概述桥梁风振概述14 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 桥梁风振概述桥梁风振概述 气动弹性现象：气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形流边界

3、条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形与振动，这种与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。颤振：颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转振动，飞机机翼振动振动，飞机机翼振动驰振：驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。桥梁风振概述桥梁风振概述19 抖振：抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主气流力

4、受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主要是大气紊流导致结构强迫振动。要是大气紊流导致结构强迫振动。涡振：涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动。风致振动。桥梁风振概述桥梁风振概述20 桥梁风振的研究方法桥梁风振的研究方法 运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。 西奥多尔森西奥多尔森(Theodorsen)(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论；斯理想平板颤振自激力理论；斯坎伦坎伦(Sca

5、nlan)(Scanlan)桥梁断面颤振理论；达文波特（桥梁断面颤振理论；达文波特（DavenportDavenport）抖振准定常理论。抖振准定常理论。 桥梁风工程的进一步发展，有待于基本理论框架的新突桥梁风工程的进一步发展，有待于基本理论框架的新突破。破。理论分析理论分析桥梁风振概述桥梁风振概述21 目前，风洞试验是一个十分重目前，风洞试验是一个十分重要且不可替代的手段。风洞试验包括：要且不可替代的手段。风洞试验包括：节段模型试验，全桥模型试验等。节段模型试验，全桥模型试验等。风洞试验风洞试验桥梁风振概述桥梁风振概述22 目前，风洞试验是一个十分重目前，风洞试验是一个十分重要且不可替代的手

6、段。风洞试验包括：要且不可替代的手段。风洞试验包括：节段模型试验，全桥模型试验等。节段模型试验，全桥模型试验等。中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系风洞试验风洞试验第六章第六章 桥梁风振概述桥梁风振概述 武汉阳逻长江大桥成桥武汉阳逻长江大桥成桥态桥梁风振概述桥梁风振概述24 安庆铁路长江大桥安庆铁路长江大桥桥梁风振概述桥梁风振概述 沪通铁路长江大桥沪通铁路长江大桥均匀流场（成桥无车状态）均匀流场（成桥无车状态）桥梁风振概述桥梁风振概述 紊流场（紊流场（ 成桥无车状态，模拟大气边界层）成桥无车状态，模拟大气边界层）沪通铁路长江大桥沪通铁路长江大桥桥梁风振概述桥梁风振概述27 28桥梁风振概述桥梁

7、风振概述 实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况录像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的录像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的推动作用。推动作用。现场观测现场观测桥梁风振概述桥梁风振概述29 应用计算流体力学应用计算流体力学方法，在计算机上实现桥方法，在计算机上实现桥梁风振全过程，称为数值梁风振全过程，称为数值风洞技术。风洞技术。数值模拟数值模拟桥梁风振概述桥梁风振概述30 桥梁风振的减振措施桥梁风振的减振措

8、施 引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：空气动力学措施空气动力学措施 加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型，加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型，避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。桥梁风振概述桥梁风振概述31 桥梁风振概述桥梁风振概述32 加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面

9、接近流线型，加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型，避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。桥梁风振概述桥梁风振概述33 机械减振措施机械减振措施 加阻尼器（如加阻尼器（如TMDTMD，磁流变阻尼器）。，磁流变阻尼器）。桥梁风振概述桥梁风振概述34 风雨振动风雨振动是是2020世纪世纪8080年代才发现的一种斜拉索风致振动现年代才发现的一种斜拉索风致振动现象。就目前的共识而言，认为风雨振动是指在一定风速象。就目前的共识而言，认为风雨振动是指在一定风速范围内，由于风、雨联合作用而引起的、处于一定姿态范围内，由于风、雨联合作用而引起的、

10、处于一定姿态的斜拉索的大振幅振动。下雨时当风的作用方向与斜拉的斜拉索的大振幅振动。下雨时当风的作用方向与斜拉索的下坡一致时，在斜拉索的表面会形成上下两条通道，索的下坡一致时，在斜拉索的表面会形成上下两条通道，雨振即为由于这些通道的形成，使斜拉索的截面变为对雨振即为由于这些通道的形成，使斜拉索的截面变为对空气动力不稳定时所发生的振动。空气动力不稳定时所发生的振动。 日本名港西大桥、荒津大桥、丹麦法罗桥及我国杨浦日本名港西大桥、荒津大桥、丹麦法罗桥及我国杨浦大桥、武汉长江二桥、南京二桥、江西湖口大桥、鄂黄大桥、武汉长江二桥、南京二桥、江西湖口大桥、鄂黄长江大桥、洞庭湖大桥等的斜拉索的均出现过强烈的

11、风长江大桥、洞庭湖大桥等的斜拉索的均出现过强烈的风雨振动。名港西大桥观测到的最大风雨振动振幅达雨振动。名港西大桥观测到的最大风雨振动振幅达0.550.55米，洞庭湖大桥的最大振幅也超过米，洞庭湖大桥的最大振幅也超过0.400.40米米。 桥梁风振概述桥梁风振概述35 风雨振动桥梁风振概述桥梁风振概述36 雨振特点：雨振特点：1、雨振常发生在斜拉索表面为光滑时；其直径为范围为、雨振常发生在斜拉索表面为光滑时；其直径为范围为80200mm（也有文献认为在（也有文献认为在140225mm），相应的雷诺），相应的雷诺数范围为：数范围为：61042105；2、它是在风速为、它是在风速为618m/s的范围

12、内所发生的一种有限振动；的范围内所发生的一种有限振动；3、发生的频率处于、发生的频率处于3Hz以下的范围内；以下的范围内；4、结构阻尼增加后振幅减少，如附加对数衰减率为、结构阻尼增加后振幅减少，如附加对数衰减率为0.020.03的结构阻尼后即可制振。的结构阻尼后即可制振。 5、风雨振动易发生于位于平坦地区或跨海的桥梁上；、风雨振动易发生于位于平坦地区或跨海的桥梁上； 6、以面内振动为主；、以面内振动为主； 7、斜拉索的水平偏角在、斜拉索的水平偏角在30O80O之间（也有文献认为在之间（也有文献认为在20O60O）；）；桥梁风振概述桥梁风振概述37 目前国内外抑制斜拉索雨振的措施主要包括两类:

13、阻尼措施，即通过外加阻尼器增加系统的总体阻尼，从而达到减振、抑振的作用；阻尼比要求大于0.35%即可（对数衰减率大于0.02）。 气动措施，即通过改变索的表面状态，使索的气动性能、亲水性能及索表面水的流动性能发生改变，从而在本质上减弱或消除雨振的发生机制，常用方法包括在索表面施加凹坑或螺旋线。凹坑易被灰尘添满而失去作用，而螺旋线会增大拉索的气动阻力， 对于大跨度公路桥梁来说，索上风载占比较大，因而受影响较大。 一般认为钢胶线索阻尼大于平行钢丝索，不易发生风雨振动。 把拉索从外索至内索相互连接起来，通过连接件的伸缩来消能，同时利用各根索固有频率的不同所产生的干扰效应来传递能量以达到抑振的目的风雨

14、振的发振机理目前还不是十分清楚，但上述两抑振措施被证明是十分有效的。风雨振发振对雨量、风向、风特性、索表面特性均有要求，制约因素很多，因而目前实验室虽能再现风雨振，但对具体桥来说难以明确其会否发生风雨振。桥梁风振概述桥梁风振概述38 辅助索辅助索 阻尼器阻尼器 气动措施气动措施 经过多年理论研究及工程实践，目前已经采用的斜拉索减经过多年理论研究及工程实践，目前已经采用的斜拉索减振措施包括结构措施与气动措施两大类，其中机械措施又振措施包括结构措施与气动措施两大类，其中机械措施又包括附设阻尼器及辅助索两种方法。包括附设阻尼器及辅助索两种方法。 n平行或螺旋肋条、平行纵向刻槽、圆形或椭圆形凹坑平行或

15、螺旋肋条、平行纵向刻槽、圆形或椭圆形凹坑桥梁风振概述桥梁风振概述39 即用数道细索将部分或全部主索连接起来，通过将原本独即用数道细索将部分或全部主索连接起来，通过将原本独立的各主索彼此联成一个索网，使原来各主索独立的振动立的各主索彼此联成一个索网，使原来各主索独立的振动被约束成索网系统的整体振动，从而提高了主索的刚度。被约束成索网系统的整体振动，从而提高了主索的刚度。辅助索又分为将其连接到桥面上的锚固式和不连接到桥面辅助索又分为将其连接到桥面上的锚固式和不连接到桥面上非锚固式两种形式。上非锚固式两种形式。HartmanHartman桥减振副索示意图桥减振副索示意图 桥梁风振概述桥梁风振概述40 法法国国诺诺曼曼底底大大桥桥的的减减振振副副索索 桥梁风振概述桥梁风振概述41 阻尼器阻尼器 即在斜拉索的主梁锚固端附近增设阻尼器或吸振器，以提高即在斜拉索的主梁锚固端附近增设阻尼器或吸振器，以提高斜拉索的阻尼。斜拉索的阻尼。 油压式阻尼器（油压式阻尼器（Oil DamperOil Damper） 粘性剪切型阻尼器（粘性剪切型阻尼