风致振动简述

⼤桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例2019-05-10摘要：⽂章通过对塔科马⼤桥的风振事故来探究风振的原理，来概述了风洞试验的发展，以及风振有效的防护措施。

关键词：⼤桥蛇形共振；桥梁抗风；风振动防范；塔科马⼤桥1 理论概述建造⼤桥的时候我们不仅仅要考虑⼤桥的承载能⼒，美观度以及经济性，此外我们建造的⼤桥，⼤跨度桥常常因为柔度⾮常⼤，⽽受风荷载影响很⼤，⼤桥在未知的风的作⽤下会产⽣⼗分巨⼤的变形以及振动。

随着桥梁跨度的增⼤，⾮线性因素也愈加明显，不确定的因素也就变得很⼤很⼤，这就给已经⾮常复杂的风-车-桥系统研究加⼤了难度。

在风速较⼤的地区⽐如芝加哥，修建跨江、跨海铁路⼤桥时，为了确保桥梁结构及列车运⾏安全，必须要综合考虑风和列车荷载对桥梁的动⼒作⽤。

在国内外关于车桥耦合振动及桥梁抗风研究的基础上，需要考虑⼤跨度桥梁的⼏何⾮线性因素。

我们有必要来探究下⼤桥共振的原因，我们说的⼤桥看成不是⼀个刚体并有⾃振，在车辆通过⼤桥的时候对⼤桥产⽣压⼒，⼤桥就会受⼒变形，若这个⼒与⼤桥⾃⾝的震动吻合就会产⽣共振，然⽽这个问题要控制在⼀个安全范围内才对⼤桥不⾄于造成破坏。

概括来讲，该问题属于⽓动弹性振动问题.美国的塔卡马⼤桥就是这样被垮的。

原因是桥垂直⽅位的结构上的板引起了桥发⽣⼀系列振动。

桥对风有相当⼤的阻⼒，因此风被桥遮挡，⾼强度的⽓流只能从结构板上⽅经过，最后压向了桥表⾯。

由于通过的⽓流由于连续的被曲折就加快了它流动的速度，由伯努利定律可知在竖直⽅向上结构板的上⽅及下⽅将产⽣明显的压降。

⽆所谓的是风⼀直从板正前⽅吹过来，它的原因是上下⽅产⽣的压⼒降低会导致相互的抵消。

⿇烦的事是若风⽅向随机且不停地产⽣变换，这将导致压⼒产⽣不断地波动变化。

产⽣的压⼒差若加在了整个桥⾯之上，⽽且因为能够挡住风的竖直⽅向的结构板后，将产⽣涡流并且不断的加强，将会最终导致桥⾯开始振动。

从理论上讲当桥⾯经受⼀定流速的⽓流吹动，就不可避免地会产⽣⾃激振动.除此之外⼀个因素是某个桥墩由于流体的涡振产⽣松动，这使得桥墩产⽣周期性的振动，使桥⾯产⽣低频振荡，车桥耦合振动的概率很⼩，由于车辆的激励频率要⾼好多.2 桥梁风致病害典型案例分析我们举⼀个⾮常有名的例⼦吧，就是著名的塔科马⼤桥由于风振产⽣的倒塌事故。

斜拉桥风致抖振时域分析摘要：随着交通事业的快速发展，在我国中西部地区需要建设大量的斜拉桥等大跨度柔性桥梁用于跨越沟谷。

该地区是我国风灾发生较高的区域之一，风环境复杂多变，除了对斜拉桥进行静风稳定的验算，同时也有必要研究脉动风对斜拉桥影响。

本文将通过时域方法分析斜拉桥的抖振。

关键词：斜拉桥脉动风抖振时域分析中图分类号：u4 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）05-0178-021.引言我国的中西部山区面积广大，地形复杂，具有山高谷深，风环境复杂等特点，这就需要建设大跨径桥梁以跨越山谷、河流等。

其中斜拉桥是跨越能力比较强的柔性桥型之一。

旧塔科马桥的风毁事故引起人们对桥梁风致振动的关注，其中风对斜拉桥等大跨度桥梁的影响不容忽视。

频域分析、全桥模型风洞试验方法和时域分析方法是现在分析桥梁抖振的主要方法，其中桥梁有限元模型时域分析是比较常用的方法。

2.时域方法的主要步骤桥梁结构抖振时域分析主要包括三个方面：一是空间脉动风场的有效模拟；二是时域风荷载模型的处理；三是非线性时程分析。

2.1.脉动风的模拟1）主梁模型的选择。

在大跨径桥梁全桥的结构分析中，常采用平面和空间杆系结构，塔和墩简化为通过其中心线的两节点两单元，而斜拉索等杆系简化为两节点杆单元。

在三维空间分析中，由于主梁作为横向尺寸较大的实体结构，其纵向还有斜拉索、纵梁等不同构件连接。

都使得不能只用一个空间梁单元进行描述。

大跨径桥梁主梁主要有三种不同的计算模型：三梁式、双梁式以及鱼骨式。

2）风场模拟方法的选择。

抖振响应时域分析，首先依据目标功率谱函数数值模拟空间脉动风场。

对于平稳随机过程，比较常用的方法有谐波合成法与线性滤波法。

谐波合成法计算量较大，但是精度较高，一般常采用这种方法。

2.2.抖振风荷载2.3.非线性时程分析结构几何非线性处理方法。

现代大跨径桥梁的柔性特征十分明显，特别是悬索桥和斜拉桥，对其进行动力分析时必须要考虑几何非线性，才能得到精确的计算结果。

刍议大跨径悬索桥抗风问题及风振措施摘要：随着现代桥梁技术的不断提升，大跨径悬索桥的应用越来越多，跨径记录也被不断打破。

悬索桥相对于其他结构形式的桥梁而言，其更容易受到风力的影响，尤其是对于大跨径悬索桥而言，风力作用下引起的各种振动对于桥梁的稳定性会造成极大的影响。

因此，如何提升抗风问题成为了大跨径悬索桥在设计时的重点问题。

文章对悬索桥进行了详细的风振分析，并在此基础上对如何提升大跨径悬索桥抗风能力展开了讨论。

关键词：悬索桥，风振，桥梁稳定性前言在所有桥梁结构中，悬索桥的跨越能力是最突出的，在跨江、跨海、跨山谷等方面有重要的应用。

这种桥梁结构主要依赖于缆索支撑体系，因此其非线性特性非常明显。

正是由于这种特性，因此其在风力荷载的作用下动力响应问题也相较于其他结构桥梁更加明显。

在早期的悬索桥设计中，由于对风载作用的考虑不够全面，因此设计出来的桥梁安全性存在明显的缺陷，引发了众多安全事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡。

因此，当前悬索桥设计时尤其是大跨径悬索桥设计的过程中，相关人员非常重视桥梁的抗风问题。

文章以悬索桥风振类型出发，对桥梁自身的结构特征风载响应特征进行了归纳，并在此基础上提出了若干风振减弱措施，强化大跨径悬索桥的抗风设计方法和内容。

1.悬索桥风振分析从结构上来看，悬索桥是一种柔性结构，在风力荷载的情况下，其受力情况和振动方式具有多变性。

在经过了长期的实验探究后，人们对这种柔性结构的振动现象有了较深刻的认识。

并根据各种振动的特性制定了具有针对性的控制措施，具体如下：1.1 抖振抖振的本质是一种结构性强迫振动，其引起的原因是脉动风。

这种振动引起的原因可以概括为两种：（1）风本身的不规则性使得气流的方向和速度较为紊乱，这种紊乱的气流直接作用在桥梁结构上，引起的强迫性振动。

（2）在桥梁周围存在山体、建筑等，气流流经这些遮挡物时产生了紊乱的气流，这些气流简介作用在桥梁结构上，引起强迫性振动。

从振动的幅度上来看，由于抖振的起因是紊乱的气流，其方向是多变的，不会有明显的方向性，因此引起的桥梁振动幅度较小，一般不会直接给桥梁造成非常严重的结构性破坏，但是可能使得桥梁的部分结构变形，影响桥梁上通行人员的舒适度。

风振对桥梁工程损害及防治摘要：风对桥梁的作用是一种十分复杂的现象，随着桥梁跨径的不断增加，风振现象也越来越受到工程界的关注。

本文针对抖振、涡激共振、风雨振等风致振动对大跨度桥梁的结构安全形成不可忽视的影响，探讨了大跨度桥梁抗风设计原则与风致振动的控制,提出了改善桥梁结构和增加机械阻尼等方法.关键词:大跨度桥梁;风致振动;抗风设计1引言1940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的主跨853m的塔科马悬索桥在风速不到20m／s的8级大风袭击下发生了当时还难以理解的强烈振动，奇妙的风竟使桥面扭曲翻腾．而且振幅愈来愈大。

直至使桥面倾翻到45度，最终导致桥粱的折断坠入峡谷之中。

这次事故后引起了国际桥梁工程界和空气动力界的极大关切,并开展了大量的理论探索和风洞实验研究。

我国自70年代起斜拉桥蓬勃发展,跨度日益增大,1999年10月，主跨1385m的江阴长江公路大桥的建成通车，使我国成为世界上能自主设计和建造千米级悬索桥的第六个国家。

中国改革开放以来已经建成了百余座缆索承重桥梁,其中包括10座悬索桥和近20座跨度超过400m的斜拉桥.与此同步，斜拉桥和吊桥的风致振动理论与实验研究也结合工程实际迅速发展,并取得了一些有价值的研究成果。

2桥梁结构风致振动理论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。

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。

1.3.2风对高层建筑的作用高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其结构设计时的主要控制荷载。

风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。

在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。

第1章绪论1.3.2.1顺风向风效应我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:矶=刀:户:拜，叽(l一10)式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。

一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速脉动引起。

Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。

高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。

1.3.2.2横风向风效应横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。

当建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。

由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程界的热点问题。

横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。

第42卷第1期2022年2月振动、测试与诊断Vol.42No.1Feb.2022 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展∗赵林1，陈旭2，柯世堂3，张军锋4，葛耀君1（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海，200092）（2.上海师范大学建筑工程学院上海，201418）（3.南京航空航天大学土木与机场工程系南京，210016）（4.郑州大学土木工程学院郑州，450001）摘要伴随我国经济快速发展，火/核电厂大型冷却塔建设保持快速增长势头，呈现超高、超大的发展趋势。

风荷载作用下的冷却塔塔筒壳体风致稳定和结构风振效应成为结构设计建造的关键控制因素。

笔者从理论分析、试验模拟、数值计算、现场实测4个方面论述了冷却塔风致稳定和风振效应系列研究进展，阐明了基于环向均匀加载的冷却塔稳定验算公式难于适用复杂风压条件下壳体弹性稳定分析与评估，强调了基于现场实测建立超高雷诺数条件下动态绕流物理风洞试验模拟准则的必要性，推荐开展风致动力分析中冷却塔结构阻尼比实测工作。

面向台风和龙卷风等特异风灾气候结构效应研究的现实需求，亟需开展特异风场作用下大型冷却塔壳体失稳和结构风振效应和机理的研究。

关键词大型冷却塔；风致稳定；风致振动；现场实测；特异风灾中图分类号TU331问题的引出冷却塔是火/核电厂二次高温循环水的冷却基础设施，是电力建设发展的重大生命线节点工程。

全世界第1座32.3m高的钢筋混凝土冷却塔诞生于1918年的荷兰。

1965年，冷却塔高度首次突破百米时，发生了英国渡桥电厂塔群风毁事故，由此拉开了冷却塔抗风研究的序幕［1］。

随后几十年间，欧美发达国家相继出现了多次严重的冷却塔风毁事故［2］（1973年英国Adeer电厂、1978年美国Willow Is⁃lands电厂、1979年法国Bouchain电厂、1981年美国Grand Gulf电厂、1984年英国Fiddler´s Ferry电厂），但据此开展的系统研究工作推动了大型冷却塔建设和规模的发展。

高层建筑的振动控制技术在现代化的城市中，高层建筑如雨后春笋般拔地而起。

这些高楼大厦不仅是城市繁荣的象征，也为人们提供了更多的生活和工作空间。

然而，随着建筑高度的增加，振动问题也逐渐凸显出来。

高层建筑在风荷载、地震作用以及人群活动等因素的影响下，可能会产生较大的振动，这不仅会影响居住者的舒适度，还可能对建筑结构的安全性造成威胁。

因此，研究和应用高层建筑的振动控制技术显得尤为重要。

一、高层建筑振动的来源及影响高层建筑振动的来源多种多样。

风荷载是其中一个主要因素。

当强风刮过高层建筑时，会在建筑表面产生复杂的气流，从而引起结构的振动。

地震作用也是不可忽视的，尽管在设计中会考虑地震的影响，但强烈的地震仍可能导致建筑产生较大的振动。

此外，人群的活动，如在楼层中的行走、跳跃，以及机器设备的运行等，也会引发一定程度的振动。

高层建筑的振动会带来诸多不利影响。

首先，过大的振动会让居住者感到不适，影响生活和工作质量。

长期处于振动环境中，可能会导致人们出现头晕、恶心等症状。

其次，振动可能会对建筑内部的设备和设施造成损坏，影响其正常运行。

最重要的是，频繁且强烈的振动会对建筑结构本身产生疲劳损伤，降低结构的承载能力和耐久性，从而危及建筑的安全。

二、高层建筑振动控制技术的分类为了减轻高层建筑的振动，科研人员和工程师们研发了多种振动控制技术，主要可以分为被动控制技术、主动控制技术和半主动控制技术三大类。

被动控制技术是通过在建筑结构中设置耗能装置或改变结构的特性来消耗振动能量，从而减小振动响应。

常见的被动控制装置包括调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）和粘滞阻尼器等。

TMD 是一个由质量块、弹簧和阻尼器组成的系统，其固有频率通过调整与结构的主要振动频率相近，从而吸收振动能量。

TLD 则是利用液体的晃动来消耗能量。

粘滞阻尼器则是通过内部液体的粘性阻力来耗散能量。

主动控制技术则是通过传感器实时监测建筑的振动状态，然后由控制器计算出所需的控制力，并通过作动器施加到结构上，以主动地抑制振动。