桥梁抗风基础

第六讲桥梁抗风基础福州大学土木工程学院22023/2/5主要内容风害VS震害桥梁史话及历史桥梁风毁风工程基本术语近地风特性风对结构的作用32023/2/5什么是风？风是一种自然现象：是由于太阳对地球大气的加热不均匀而引起的。由于地球表面的地形起伏和各种障碍物的影响，使靠近地面风的流动发生紊乱，造成风在速度、方向及其空间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。

风的分类：季风，飓风（台风、气旋），温带气旋，局部风。42023/2/5风的分级气象学上将风的强弱按10min时距的平均风速的大小分成13个等级。右表为常用的蒲氏风级表（由英国人F.Beaufort于1805年拟定）。52023/2/5季风季节性的风冬季形成大陆高压夏季形成大陆低压亚洲受季风影响非常强烈62023/2/5台风强烈的热带气旋，在北半球热带气旋中的气流绕中心呈逆时针方向旋转，愈靠近热带气旋中心，气压愈低，风力愈大，其中心却是一片风平浪静的晴空区，即台风眼。当热带气旋中心附近最大风力小于8级时称为热带低压，8和9级风力的称为热带风暴，10和11级风力的为强热带风暴，只有中心附近最大风力达到12级的热带气旋才称为台风。形成于高温、高湿和其它气象条件适宜的热带洋面。据统计，除南大西洋外，全球的热带海洋上都有热带气旋生成。72023/2/5台风82023/2/5温带气旋由大尺度气流受山脉阻挡或沿锋面两侧的气团之间的相互作用而产生发生于中纬度地区移动速度一般夏季约为20km/h，冬季约为50km/h。伴随有强雷暴和龙卷风92023/2/5局部风焚风：空气越过山顶后被迫下沉，绝热压缩使空气温度升高形成，典型见美国洛矶山脉布拉风：寒冷区域无法形成焚风，势能转化为动能，形成强烈阵风，典型见亚得里亚海东北岸急流效应风：因地形分布导致流线辐合，风速增强，典型见法国南部罗纳谷地雷暴：暖湿气流上升过程中大规模降雨，使冷气流下沉，在地面以壁急流形式形成扩散而成龙卷风：在强雷暴中形成，所有风中最强的风102023/2/5局部风——焚风

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米特点：热、干燥112023/2/5局部风——布拉风

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米在某些情况下，空气下降时加热不够，则形成布拉风。特点：冷、干燥122023/2/5局部风——龙卷风

龙卷风产生过程：大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。132023/2/5局部风——龙卷风

龙卷风产生过程：

由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。142023/2/5局部风——龙卷风

152023/2/5局部风——龙卷风

龙卷风产生过程：随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生气旋的同样过程，形成龙卷核心。162023/2/5龙卷风产生过程：

龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。局部风——龙卷风172023/2/5局部风——龙卷风的等级

182023/2/5风害VS震害热带气旋灾害是最严重的自然灾害，因其发生频率远高于地震灾害，故其累积损失也高于地震灾害我国是世界上受热带气旋危害最甚的国家之一1991年4月底在孟加拉国登陆的热带气旋曾经夺去了13.9万人的生命台风给我国造成的经济损失，上世纪80年代为数十亿元，90年代为100亿元，去年（2005）已经发展到750亿元福州大学结构工程研究所陈晓冬192023/2/5大跨度桥梁抗风研究发展简述地震影响的主要是中小桥梁，而风荷载则是大跨度桥梁设计的首要考虑因素1759年Smeaton等就提出构造物设计时要考虑风压问题，开始有了风荷载的概念，但当时对风压的认识是不够的1879年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击，85跨桁架中的13跨连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压的大小是，此后相当长时间内，人们把风对结构的作用仍只看成是由风压产成的静力作用202023/2/5TayBridge风毁事故当时最长的铁路桥梁，总长3公里，由84跨铸铁桁架组成212023/2/5由于风而受到损害，早在Tay桥被风毁之前就多次发生。据记载，在1818年至1940年间，至少有11座悬索桥毁于暴风。从目击者所描述的风毁景像中可以明显感到事故的原因是风引起的强烈振动。只是人们对这种风致振动机理还不可能作出科学的解释，对其危害性认识还不够。1940年，美国西海岸华盛顿州建成了中央路径为853m，居当时世界第三位的塔科马悬索桥（TacomaBridge），其设计风速为60m/s。然而四个月后，却在19m/s的风速袭击下，产生强烈扭曲振动而遭破坏。这次事故再次震惊了桥梁工程界，经过广泛深入研究，提出了桥梁的风致振动问题。222023/2/5塔科马桥毁的讨论该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经验，其抗风压的设计对于60m/s的风速都是安全的。然而对风致振动却几乎未加考虑。根据当时的技术条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的H型断面。因此，1940年刚刚建成通车后，每通稍强的风就显示出有风振的趋势，但在头4个月内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约1.5m后振动就衰减下来。运营几个月之后，随着跨中防止加劲梁和主索间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作反对称扭曲运动，在跨度l／4点出现从至的倾斜。发生了扭曲振动约l小时之后，随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300m长的加劲梁坠入水中。232023/2/5TacomaNarrowBridge的风毁242023/2/5风毁事件列表DryburghAbbeyBridge,Scotland1818suspensionbridge,severewinddamageUnionBridge,England1821suspension,severewinddamageThomasTelford'sMenaiStraitBridge,Wales1826suspensionbridge,blowndowninhurricanein1839,celebratedwroughtironNassauBridge,Germany1834suspensionbridge,winddamageMontroseBridge,Scotland1838suspension,severewinddamageBritanniaBridge,MenaiStrait,WalesÞtubular,ironbridge1839suspension,severewinddamageRoche-BernardBridge,France1852suspension,severewinddamageÞNiagara-LewistonBridge,USA-Canada1864suspension,severewinddamageWheelingBridge,USA1864suspension,severewinddamageTayBridge,Scotland1879Trussbridge,unstableinwindBrooklynBridge,NewYork1883successfulbridgedesignNiagara-CliftonBridge,USA-Canada1889suspension,severewinddamageFykesesundBridge,Norway1937Modernbridgeoscillatedinwind,stiffenedbyrolledI-beamGoldenGateBridge,USA1937oscillatedinwind,stiffenedbytrussThousandIslandsBridge,USACanada1938oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-WhitestoneBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-Whitestone,NewYork1939sisterdesigntotheTacomaNarrowsbridge,stiffenedbyplategirderin1943duetowindoscillationproblemsDeerIsleBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderTacomaNarrowsBridge,WashingtonState1940Suspensionbridge,aerodynamicinstability252023/2/520世纪的后50年间，虽然没有发生象塔科马桥那样的风毁事故，但是简易人行吊桥的风毁（日本，1963年），架设中的桁架桥的风毁（日本木曾川桥，1962年），施工中独立桥塔因风振而产生的塔柱接头部位的损伤（1964年建成的英国福斯桥），下承式拱桥及郎格尔桁架的吊杆因涡激共振产生的疲劳损伤，斜拉桥的缆索振动等，却时有报道。因此桥梁的风害至今仍然是桥梁工程师们十分关注的问题。262023/2/5

我国是受台风袭击较严重的国家。近些年来，随着大跨度桥梁的建设，桥梁的风害也时有出现。例如广东南海九江公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒，砸坏主梁，江西九江长江公路铁路两用钢拱桥吊杆的涡激共振，上海杨浦斜拉桥缆索的涡振和雨振使索套损坏等。由于我国大跨度桥梁建设的飞速发展，桥梁的风害问题必须引起桥梁工程师的足够重视。272023/2/5风工程基本术语基本风速basicwindspeed：开阔平坦地貌条件下，地面以上10m高度处，100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速designstandardwindspeed：在基本风速基础上，考虑局部地表粗糙度影响，桥梁结构或结构构件基准高度处100年重现期的10min平均年最大风速风攻角windattackangle：风的主流方向与水平面产生的夹角282023/2/5风工程基本术语阵风系数gustfactor：反映时距为1~3s的瞬时风速与10min平均风速的关系系数静阵风系数staticgustfactor：考虑地表粗糙度、风荷载加载长度和结构构件离地高度等因素的阵风系数阵风荷载gustload：基于阵风风速的风荷载地表粗糙度terrainroughness：反映大气边界层中地表起伏或地物高矮稀密的程度292023/2/5风工程基本术语空气静力系数aerostaticfactor：表征在风的静气动力作用下，结构断面受力大小的无量纲系数。静力扭转发散aerostatictorsionaldivergence：在风的静力扭转力矩作用下，当风速达到临界值时，桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，而出现扭转角不断增大的失稳现象。静力横向屈曲aerostaticlateralbuckling：横向静风荷载值超过桥梁主梁横向屈曲临界荷载值时出现的失稳现象。颤振flutter：振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量，振幅逐步增大直至使结构破坏的发散性自激振动。302023/2/5风工程基本术语驰振glloping：振动的桥梁从气流量不断吸取能量，使非扁平截面的细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。涡激共振vortexresonance：气流绕经钝体结构时产生旋涡脱落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时，由涡激力所激发出的结构共振现象。抖振buffeting：风的紊流成分所激发的结构随机振动，也称为紊流风响应。颤振检验风速fluttercheckingwindspeed：检验桥梁避免发生颤振的风速。312023/2/5风工程基本术语静力三分力aerostaticforce：气流绕过桥梁结构所产生的静力作用力的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩。节段模型试验sectionalmodeltesting：将桥梁结构构件的代表性节段做成刚性的模型，在风洞中测定其静力三分力或非定常气动力作用的试验。全桥气动弹性模型试验fullaeroelasticmodeltesting：将桥梁结构按一定几何缩尺并满足各种必要的空气动力学相似条件制成的弹性三维空间模型，在风洞中观测其在均匀流及紊流风场中各种风致效应的试验。322023/2/5风工程基本术语风振控制wind-inducedvibrationcontrol：为避免出现发散性风致振动或过大的限幅振动所采取的气动措施、结构措施或机械措施。调质阻尼器tunedmassdamper：由质量块、弹簧和阻尼元件组成的动力减振装置。332023/2/5地球大气层大气层（atmosphere）:地球表面薄层空气，厚度1000km（1/12地球直径）对流层（troposphere）:大气层底部1%厚度，厚度10,000m（飞行高度，最高山峰）大气边界层（ABL）：对流层底部10%，厚度<1000m（梯度风高度，建筑物高度）地表层（surfacelayer）:大气边界层底部10%，厚度100m左右（风速剧烈变化）粗糙层（roughnesslayer）:地表层底部10%，厚度10m左右（地表粗糙元）342023/2/5粗糙元粗糙层表面层对流层边界层距离地表高度（米）0104103101021地球表面在边界层内，风速随着高度增加而增加；紊流和阵风特性也随着高度不断变化；边界层风场中风具有宽频特性；在不同高度紊流风具有相似的阵风和频率特性。大气层及其空间垂直分布示意图352023/2/5自然风记录风速是脉动的，不是平稳的8分钟内的平均风速变化不大平均风速随高度增大脉动分量与平均风相比较小362023/2/5自然风谱特性脉动风能量分布特点：主峰：年，4天，1天，1分钟等，低谷：10~60分钟低频能量分布特点：周期：4~5天，相当于实际大气系统移动周期高频能量分布特点：周期：1分钟高频谱峰能量取决于平均风速372023/2/5平均风空间特性风剖面—离地高度特性（1）指数律模型（PowerProfile）相同场地：不同场地：

----梯度风高度（m）；-----常指数值（2）对数律模型（LogarithmicProfile）基本公式：相同场地：

---粗糙高度(m)；---地表剪切风速

---Karman常数，382023/2/5风剖面（续）（3）复合体模型（ComplexProfile）场地类别

类别IIIIIIIV幂指数0.120.160.220.30粗糙度(m)0.010.050.301.00梯度风高度(m)500600700700392023/2/5地表粗糙度类别《建筑结构荷载规范》

A类：至近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠。B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区。C类：指有密集建筑群的大城市市区。

地表粗糙度类别《公路桥梁抗风设计规范》

I海面、海岸、开阔水面II田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区III树木及低层建筑物等密集地区中高层建筑物稀少地区平缓的丘陵地IV中高层建筑物密集地区起伏较大的丘陵地402023/2/5平均风的空间特性7006005004003002001000场地类别I场地类别II场地类别III场地类别IV高度(m)412023/2/5Z0＝0.01m的场地422023/2/5Z0＝0.05m的场地432023/2/5Z0＝0.3m的场地442023/2/5非标准条件下风速的计算非标准高度和非标准地貌情况即，同时推算到梯度高度，再反推到实际高度非标准时距情况452023/2/5由于受到大气压差的气压梯度力、地球自转引起的偏转力与地球表面之间的摩擦力等作用，风的速度和方向是随时间和地点不断变化的。根据大量风的实测资料，在风的顺风向时程曲线中，包含两种成份：一种是长周期部份，其值常在10分钟以上；另一种是短周期部份，常只有几秒左右（见下图）。根据上述两种成份，实用上常把风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称阵风脉动）来加以分析。风对结构的作用462023/2/5风对结构的作用是复杂的气动力学问题。由于自然风中的紊流成分的不同特征，以及桥梁的结构型式和断面形状的不同，风对桥梁的作用也表现出多种不同的形式。概括起来，风对桥梁的作用可分为静力的和动力的两类，如下表所示。风对结构的作用472023/2/5由于平均风的风速在一定时间长度（称作时距）内不随时间变化，而且其周期远大于桥梁结构的自振周期，因此，平均风对结构的作用是静力作用。由平均风的静风压对结构产生的阻力、升力和力矩作用，可能引起桥梁的强度、变形破坏和静力失稳。桥梁结构的静力失稳可以有两种形式：一种是以主梁的扭转变形形式出现的失稳，叫做扭转发散；一种是以主梁的横向弯曲形式出现的失稳，叫做横向屈曲。脉动风是由于风的不规则性引起的，脉动风的风速围绕平均风速随时间随机变化。由于脉动风的周期较短，它对结构的作用是动力作用。风对结构的动力作用效应，即结构的风致振动现象是多种多样的，但总的可以分为两大类：抖振和自激振动。风对结构的作用482023/2/5抖振是指风速中无规律随机变化的脉动成分（脉动风）激励起桥梁不规则的有限振幅振动的现象。它也会使结构产生疲劳，还可能使结构产生较大的惯性力而使结构的内力增大。自激振动现象包括颤振、驰振和涡激共振。在风引起的自激振动现象中，最危险的是导致动力失稳的自激型发散振动——颤振和驰振。所谓自激发散振动就是桥梁在风力作用下被激起振动后，在一定的振动频率和相位下，它可以不断地从风力作用中获得能量补充，以抵消桥梁结构