桥梁风工程

中国桥梁结构抗风研究进展摘要：随着科学技术的发展，随着桥梁设计和施工水平的不断提高，桥梁的跨度也在不断增加，现代桥梁的跨度纪录不断被刷新。

进入21世纪后，桥梁跨度将突破2000米，甚至可能达到5000米。

而在桥梁跨度增加的同时，结构免不了采取措施减轻自重，也使得桥梁结构对于风的作用更加敏感，风也成为了桥梁设计中不可避免的问题，因此桥梁结构的抗风研究也愈来愈被人们重视。

本文将对中国桥梁结构抗风研究的现状与进展做出简要概述。

1.引言21世纪中国的桥梁工程取得了巨大的成就。

2008年6月30日，世界第一大跨径斜拉桥——苏通长江大桥正式通车；2008年5月1日，世界第一跨海大桥——杭州湾大桥正式通车；2003年6月28日，世界第一钢拱桥——上海卢浦大桥正式通车；2007年10月29日，世界第一座公路轻轨两用桥——重庆菜园坝长江大桥正式通车；2003年8月29日，世界上最大的跨径V撑梁式大桥——广州琶洲大桥正式通车……而不论是世界第一大跨径的斜拉桥亦或是世界第一跨海大桥，风力作用都是一个很严峻的问题，也是不可不考虑的因素，这就对我国的桥梁抗风研究有了很大的要求，而为了建成更长的桥、更稳固的桥，也要求桥梁的抗风研究取得更大的进展。

2.中国桥梁结构抗风研究进展2.1概述风对桥梁结构的作用机理十分复杂,是一种时间、空间变化的作用。

它受到风的特性、结构的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。

2.2静力作用对桥梁的影响如结构刚度较大因而几乎不振动,或结构虽有轻微振动。

但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态,因而不影响气流对桥梁的作用力,则风对桥梁的作用可近似地看作为一种静力荷载。

桥梁在风的静力作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。

对于强度和刚度问题,如现行桥规中所规定的那样,主要需考虑桥梁在侧向风载作用下的应力和变形。

另外，对于静升力较大的情况,也需要考虑竖向升力对结构的作用。

对于柔性较大的特大跨度桥梁，则还需要考虑侧向风荷载作用下王梁整体的横向屈曲,其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力距增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳问题。

参考文献1、项海帆等，现代桥梁抗风理论与实践，人民交通出版社，20052、陈政清，桥梁风工程，人民交通出版社，20053、项海帆等，公路桥梁抗风设计指南，人民交通出版社，19964、黄本才，结构抗风分析原理及应用，同济大学出版社，20015、E.Simiu, R.H.Scanlan, Wind Effects on Structures, Third Edition, John Wiley & Sons, 1996 （刘尚培，项海帆，谢霁明译，风对结构的作用，第二版，同济大学出版社，1992）6、何滔，大跨度桥梁静风响应分析与风致抖振研究，华南理工大学硕士学位论文，20047、黄志坚，基于Strand7平台的大跨度桥梁抗风研究，华南理工大学硕士学位论文，20058、罗秀锋，大跨度桥梁静风响应与气静力稳定性可靠度研究，华南理工大学硕士学位论文，20089、陈小锋，含随机结构参数大跨度桥梁抖振动力可靠度研究，华南理工大学硕士学位论文，201010、肖春发，大跨度桥梁颤振与气静力稳定性可靠度研究，华南理工大学硕士学位论文，201011、苏成，韩大建，王乐文，大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立，华南理工大学学报，27（11），1999：51-5612、F.T.K Au, L.G. Tham, P.K.K. Lee, C. Su, D.J. Han, Q.S. Yan, K.Y. Wong, Ambientvibration measurements and finite element modelling for the Hong Kong Ting Kau Bridge, Structural Engineering and Mechanics, 15(1), 2003: 115-13413、H.T. Ma, C. Su, Z.J. Huang, A new approach to aerostatic analysis of long-span bridges,Structures and Buildings, ICE, 162（SB2），2009：129-13514、苏成，韩大建，颜全胜，谭学民，骆宁安，大跨度桥梁风场模拟及气动力计算，华南理工大学学报，27（11），1999：36-4315、C. Su, D.J. Han, Q.S. Yan, F.T.K. Au, L.G. Tham, P.K.K. Lee and K.M. Lam, K.Y. Wong,Wind-induced vibration analysis of the Hong Kong Ting Kau Bridge, Structures andBuildings, ICE, 156（SB3），2003：263-27216、C. Su, X. M. Fan, T. He, Wind-induced vibration analysis of a cable-stayed bridge duringerection by a modified time-domain method, Journal of Sound and Vibration, 303 (1-2),2007: 330-34217、C. Su, X.F. Luo, T.Q. Yun, Aerostatic reliability analysis of long-span bridges, Journal ofBridge Engineering, ASCE, 15 (3), 2010: 260-26818、C. Su, J.J. Luo, C.F. Xiao, An efficient approach for reliability assessments on aero-instabilityof long-span bridges, Journal of Bridge Engineering, ASCE，18(6), 2013: 570-57519、C. Su, X.F. Chen, J.J. Luo, Buffeting reliability of bridges with structural uncertainties, BridgeEngineering, ICE, 2014 (Accepted)。

项目名称：大跨桥梁风效应的涡动力学机理与控制推荐单位：哈尔滨工业大学项目简介：我国大跨桥梁数量世界第一，缆索承重桥梁是大跨度桥梁最主要的桥型。

缆索承重大跨度桥梁柔性大、阻尼小，是风敏感结构，易产生多类复杂风效应，甚至导致桥梁破坏倒塌，严重威胁桥梁安全与服役状态。

桥梁结构风效应本质上是由钝体绕流，并由此产生的流动分离和旋涡运动诱发的。

旋涡是流体运动的肌腱，对桥梁结构风效应具有决定性作用。

但大跨度桥梁因气动外形复杂、风场不均匀和三维流固耦合效应，桥梁结构涡动力行为及其机理是桥梁风工程领域长期面临的难题。

本项目针对缆索承重大跨度桥梁主梁和拉索两类生命线构件风效应，在国内外率先发现了其旋涡时空分布等涡动力学行为和旋涡与结构振动耦合作用机理，提出了基于涡动力学的桥梁结构风效应控制原理和方法，形成了桥梁结构涡动力学及其控制理论。

重要科学发现如下：1.大跨度桥梁分离式主梁风效应涡动力学行为与机理。

发现了分离式双箱梁绕流场空隙旋涡、多旋涡共存及其空间分布特征、以及空隙流动模态突变等独特的涡动力行为，得到了箱梁间流态突变的临界空隙比，揭示了分离式箱梁独特涡动力行为形成机理；发现了分离式双箱梁涡激振动全过程涡动力行为（旋涡形成、分布、相互作用、时空演化规律），建立了旋涡空间分布与结构振动的能量传输关系，发现运动致空隙旋涡是分离式双箱梁大幅涡激振动的控制因素，揭示了分离式双箱梁涡激振动流固耦合作用机理。

2.大跨度桥梁斜拉索风效应涡动力学行为与机理。

针对斜拉索风雨振，发明了斜拉索水线超声检测技术，揭示了水线几何特征和运动规律，发现了风雨激振水线运动与拉索振动低频同频锁定机理；监测了超长斜拉索高阶多模态涡激振动，发现了剪切流场诱发斜拉索尾流旋涡脱落频率轴向非一致性、行波效应与梯阶锁定特征，提出了斜拉索多模态涡激振动参与模态预测方法；揭示了长期服役下斜拉索腐蚀和力学性能演化规律，建立了单丝强度概率分布与斜拉索承载力之间关系模型，提出斜拉索全寿命承载力评价方法。

塔科马大桥坍塌原因分析摘要：塔科马海峡桥（Tacoma Narrows Bridge）位于美国华盛顿州，旧桥于1940年建成，同年11月，在19m/s的低风速下颤振而破坏，震动了世界桥梁界，从而引发了科学家们对桥梁风致振动问题的研究，形成了桥梁风工程的新学科，并将风振动研究不断提高到新的科学水平。

关键词：共振、风振动、扭振正文：大桥坍塌理论价值当时，人们对这种狭长的桥梁设计找不出可以指责的地方，认为桥梁具有一定的承载能力就足以安全了，其实不然。

因为那时人们对于悬索桥的空气动力学特性知之甚少，这场灾难在当时说来是属于不可预测的，或称不可抗拒的。

但是，塔科马海峡大桥的坍塌事故还是引起了工程技术人员的关注，它的经验与教训对以后的大桥设计产生了很大的影响，从此开始了现代桥梁的风洞研究与试验。

在今天看来，塔科马海峡大桥坍塌那天，海上的风并不是很大，事故的真正原因就是梁体刚度不足，在风振的作用下桥梁屈曲失稳。

桥梁在风的作用下产生了上下振动，振幅不断增大并伴随着梁体的扭曲，吊索拉断，加大了吊索间的跨度，使梁体支撑不均，直至使梁体破坏。

风是怎样作用在桥上的呢？为什么相当均匀的风，会使桥产生脉冲式的振动，然后变为扭转振动呢？研究的结果表明，是桥上竖直方向的桥面板引起了桥的振动，它对风的阻力很大，风被挡之后，大量的气流便从桥面板的上方经过然后压向桥面。

由于吹过的气流因不断地被屈折而使速度增加，所以在桥面板的上方和下方压力降低。

如果风总是从桥梁横向的正前方吹来，那倒不要紧，因为上下方的压力降低会互相抵消。

但是，如果风的方向不停地变换的话，压力就会不断地变化。

这一压力差作用在整个桥面上，并因挡风的竖直结构板后所产生的涡流而得到加强，结果桥就开始形成波浪式振动，过大的振动又拉断了桥梁结构，最终使桥梁坍塌。

幽默的美国人后来在谈起塔科马海峡大桥时诙谐的称之为舞动的格蒂（Galloping Gertie）。

从20世纪40年代后期开始，围绕塔科马海峡大桥风毁事故的原因后人进行了大量的分析与试验研究。

桥梁专业好书推荐《高等桥梁结构理论》项海帆人民交通出版社《桥梁工程》（上、下册）范立础、顾安邦主编，2001版，经典书《桥梁结构震动与稳定》李国豪著《悬索桥设计》雷俊卿：《桥梁结构分析及程序系统》，肖汝诚编著，北京：人民交通出版社，2002 《桥梁结构理论与计算方法》，贺拴海，人民交通出版社，2003.8《桥梁工程师手册》《斜拉桥建造技术(精)》《桥梁工程》李亚东《桥梁结构计算力学》《桥梁施工监测与控制》《桥梁风工程》陈政清《桥梁加固与改造》蒙云《公路小桥涵勘测设计》《桥梁结构电算程序》《桥梁抗震》《铁路桥梁》《城镇地道桥顶进施工及验收规程》《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》作者：张树仁出版社：人民交通出版社《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》《公路桥涵设计通用规范》《ansys在土木工程应用实例》――中国水利水电出版社《ansys10.0有限元分析自学教程》《ANSYS工程结构数值分析》《apdl参数化有限元分析技术及其应用实例》《ANSYS在土木工程中的应用》李权人民邮电出版社《基于有限元软件ansys7.0的结构分析》《土木工程结构分析程序设计》《Fortran 95程序设计》《结构概念和体系》（第二版）》林同炎《大跨度空间结构》张毅刚《风对结构的作用――风工程导论》《结构设计原理》叶见曙李国平《结构力学》高等教育出版社《结构力学》酒井忠明《结构力学题解精粹》《结构力学复习与习题分析》《结构动力学》杜修力《结构动力学》克拉夫和彭津《结构可靠度理论》赵国藩《混凝土结构设计基本原理》《房屋建筑学》《公路挡土墙设计》《高速公路》《公路工程地质（戴文亭）》《道路工程》（第二版）徐家钰，同济大学出版社《路基路面工程》邓学钧《土力学地基基础》清华大学出版社,陈希哲第四版《铁路站场及枢纽》《地铁与轻轨》《专业英语》《土木工程专业英语》《土木工程经济与管理》《建筑结构》《高层建筑结构》《试验应力分析》《桥梁上部构造性能(E.C.汉勃利)》《材料力学》铁摩辛柯《欧美桥梁设计思想》，王应良，高宗余《桥涵顶进设计与施工》《地道桥结构设计》《框架式地道桥》《钢筋混凝土结构裂缝与变形的验算》《曲线梁桥计算》《拱桥挠度理论》《预应力混凝土结构设计》林同炎《混凝土简支梁（板）桥》《混凝土桥梁结构》《钢筋混凝土结构的裂缝控制》《钢筋混凝土原理》《桥粱施工工程师手册》《现代桥梁建筑设计》《公路小桥涵设计示例》《钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥结构设计》《杭州湾跨海大桥技术创新与应用》《混凝土结构有限元分析》《ansys操作命令与参数化编程》《ansys建模与网格划分关键技术》《钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用》《桥梁博士V3.0》《城市地道桥顶进施工技术及工程实例》《铁路基本规范》《芜湖长江大桥钢结构制做技术总结》大桥局《拱桥挠度理论》贺拴海人民交通出版社《桥梁工程》,大桥局,王序森等《桥梁建筑－－结构构思与设计技巧》张师定著人民交通出版社《悬索桥》大桥局《桥梁力学》，胡人礼，北京：中国铁道出版社，1999《预应力混凝土结构设计》林同炎《曲线梁桥计算》孙广华《桥梁设计百问》邵旭东《科学地对待桥渡和桥梁》，钱冬生，中国铁道出版社，2003.9《桥梁建筑与小品―构思与造型》慎铁钢等编著天津大学出版社2002《桥梁结构空间分析设计方法与应用》，戴公连, 李德建著，北京：人民交通出版社，2001《混凝土结构设计》 A.H.尼尔逊著过镇海方鄂华庄崖屏等校译《桥梁与结构理论研究》李国豪上海科学技术出版社，1983《桥梁结构非线性分析》华孝良人民交通出版社《混凝土弯梁桥》邵容光夏淦人民交通出版社《组合结构桥梁》刘玉擎. 同济大学现代桥梁技术丛书《斜弯桥的广义梁格法》《电脑辅助工程分析ANSYS使用指南》《结构动力学》《铁路客运专线恰两施工技术培训班》《ANSYS土木工程应用实例》《ANSYS-APDL高级工程应用实例分析与二次开发》《一注基础复习教程》《杆系结构有限元分析与matlab应用》《origin 应用教程》《ANSYS在桥梁工程中的应用》《钢桥》;（共十一分册）小西一郎著中国铁道出版社《钢筋混凝土及预应力混凝土桥建筑原理》[联邦德国] F.莱昂哈特著《现代斜拉桥》和《现代悬索桥》; .严国敏，.(严国敏虽离我们而去,但是他的敬业精神永远激励着后人!)《斜拉桥》林元培86.577/LYP(铁道);(94年出版,但即使现在的教科书也依旧大段地摘取他的内容.现在斜拉桥发展的情况,许多方面都应证了书中的预测.)《AASHTO美国公路桥梁设计规范》;.(关于钢箱梁和剪力滞等均有详细规定,是国内现有规范和课本缺乏的.)《武汉长江二桥技术总结》大桥局;.(双壁钢围堰和前支点挂蓝等有详细介绍.) 吐血介绍大桥局的深水基础施工情况,以前我查了很多资料都含含糊糊.该书也介绍了分离双箱前支点挂篮施工也较怪异的,一般前支点挂篮施工用在边主梁桥上. (书名大致如此,内容对钢桥的材料,设计,加工,安装,监测等有详细介绍.)科技图书二库(五楼) 中文科技86.5/TDB;《斜梁桥》黄平明人民交通出版社科技图书二库(五楼) 中文科技86.571/HPM;《曲线梁》姚玲森人民交通出版社《预加应力混凝土原理》程式秋五洲出版社《斜拉桥》大桥局86.579/TDG(铁道);《桥梁工程》姚玲森《公路桥梁设计丛书》也不错分为8册⑴预应力砼连续梁桥⑵拱桥⑶桥梁通用构造及简支梁桥⑷悬索桥⑸斜拉桥⑹砼弯斜梁桥⑺组合拱桥⑻刚架桥《九江长江大桥技术总结》大桥局86.5/TDG01 (铁道);《预应力混凝土连续梁桥设计》，人民交通出版社，徐岳《桥梁简化理论-横向分布》胡肇滋86.51/HZZ ; 86.51/HZC (铁道); 86.51/HZC (铁道)《桥梁方案比选》周念先的，人民交通出版社科技图书二库(五楼) 中文科技86.5/ZNX;《结构可靠度理论及其在桥梁工程中的应用》张建仁等人民交通出版社《大跨悬索桥理论》陈仁福《大跨度桥梁设计、桥梁减隔震设计、高架桥梁抗震设计、桥梁延性抗震设计》范立础《公路桥涵设计手册》人民交通出版社《箱形梁设计理论》郭金琼科技图书二库(五楼) 中文科技86.531/GJQ;《弯梁桥设计》吴西伦科技图书二库(五楼) 中文科技86.579/WXL;《桥梁预应力技术百问》李国平主编《Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例》《公路桥梁荷载横向分布计算》李国豪石洞86.587/TDL-2(铁道)《桥梁结构分析的数值方法及其程序：在正交桥、斜弯桥中的应用》。

塔科马大桥坍塌原因分析塔科马大桥坍塌原因分析摘要:塔科马海峡桥(Tacoma Narrows Bridge)位于美国华盛顿州，旧桥于1940年建成，同年11月，在19m/s的低风速下颤振而破坏，震动了世界桥梁界，从而引发了科学家们对桥梁风致振动问题的研究，形成了桥梁风工程的新学科，并将风振动研究不断提高到新的科学水平。

关键词:共振、风振动、扭振正文:大桥坍塌理论价值当时，人们对这种狭长的桥梁设计找不出可以指责的地方，认为桥梁具有一定的承载能力就足以安全了，其实不然。

因为那时人们对于悬索桥的空气动力学特性知之甚少，这场灾难在当时说来是属于不可预测的，或称不可抗拒的。

但是，塔科马海峡大桥的坍塌事故还是引起了工程技术人员的关注，它的经验与教训对以后的大桥设计产生了很大的影响，从此开始了现代桥梁的风洞研究与试验。

在今天看来，塔科马海峡大桥坍塌那天，海上的风并不是很大，事故的真正原因就是梁体刚度不足，在风振的作用下桥梁屈曲失稳。

桥梁在风的作用下产生了上下振动，振幅不断增大并伴随着梁体的扭曲，吊索拉断，加大了吊索间的跨度，使梁体支撑不均，直至使梁体破坏。

风是怎样作用在桥上的呢,为什么相当均匀的风，会使桥产生脉冲式的振动，然后变为扭转振动呢,研究的结果表明，是桥上竖直方向的桥面板引起了桥的振动，它对风的阻力很大，风被挡之后，大量的气流便从桥面板的上方经过然后压向桥面。

由于吹过的气流因不断地被屈折而使速度增加，所以在桥面板的上方和下方压力降低。

如果风总是从桥梁横向的正前方吹来，那倒不要紧，因为上下方的压力降低会互相抵消。

但是，如果风的方向不停地变换的话，压力就会不断地变化。

这一压力差作用在整个桥面上，并因挡风的竖直结构板后所产生的涡流而得到加强，结果桥就开始形成波浪式振动，过大的振动又拉断了桥梁结构，最终使桥梁坍塌。

幽默的美国人后来在谈起塔科马海峡大桥时诙谐的称之为舞动的格蒂(Galloping Gertie)。

浅谈大跨度桥梁抗风设计研究的发展现状随着我国提出建设交通强国，我国交通工程建设迎来新时代踏上新征程，其中桥梁工程作为我国交通工程的重要组成部分，特别是大跨度桥梁在过去几十年快速发展，已然使中国桥梁技术成为令全世界同行瞩目的中心。

该文对大跨度桥梁为何要进行抗风设计的必要性进行阐述分析，介绍风致振动的类型，并就目前大跨度桥梁如何提高其抗风性能的方法进行了介绍，还简介了目前部分斜拉桥、悬索桥、拱桥三大类桥型所采用的抗风设计方法。

标签：大跨度；桥梁；抗风；风致振动我国交通工程建设在过去的几十年里取得了举世瞩目的辉煌成就，党的十九大报告中更是对我国交通工程的总体建设目标提出了更高标准的要求，要在新时代开启建设交通强国的新征程。

纵观我国交通工程建设发展的这几十年，桥梁工程作为交通工程的重要组成部分，其迅猛的发展速度令人惊叹。

从1991年我国建成了第一座完全由我国自行设计、自行建造的主跨达423m的现代化桥梁——上海南浦大桥；2008年正式建成通车的主跨1088m的世界第二大跨径的斜拉桥——苏通大桥；2009年建成通车的采用分体式钢箱梁主跨1650m目前位居世界悬索桥第二的西堠门大桥；2014年正式开工，建成后其悬索桥跨度在国内排名第一、世界排名第二，跨度长达1700m的杨泗港长江大桥。

随着科学技术的不断发展，桥梁设计也加入了新的科学理论、正在探索新的研究方法、开发创新新的高性能材料、施工工艺不断推陈出新，在科学技术的强有力推动下，全世界必将有更多大跨度的桥梁在今后涌现。

1、抗风设计的必要性现代桥梁的跨径随着时代发展需要正在逐步增大，其整体结构也趋向于质轻柔和，这使得桥梁对风荷载的作用就变得更加敏感。

桥梁在设计风速下的抗风稳定性已经成为控制桥梁结构设计和现场施工的至关重要的因素之一。

从1818年至今，全球有记录的因风致振动被强风摧毁的大跨度桥梁就有近20座。

这其中就包括1940年主跨853m风振致毁的美国塔科马大桥，也就是从那时开始，桥梁设计者们才真正重视对大跨度桥梁进行抗风设计的研究。

1、震级和烈度：震级指一次地震释放能量的大小。

烈度指地震对地表及工程结构影响的强弱程度。

2、抗震概念设计：是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计原则和设计思想，正确地解决结构总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。

合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。

3、基本风速：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。

4、设计基准风速：在基本风速基础上，考虑局部地表粗糙度影响，桥跨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。

5、静力三分力：气流绕过桥梁结构所产生的静力作用的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩。

6、节段模型实验：将桥梁结构构件的代表性节段做成刚性模型，在风洞中测定其静力三分力或非定常气动力作用的实验。

7、按震中距的远近分为：地方震近震远震8、地震动：是指由震源释放出来的地震波引起的地标附近土层的震动。

地震动是地震的结构抗震之间的桥梁，又是和结构抗震设防的依据。

9、三要素：强度（振幅峰值）频谱特性；强震持续时间。

10、桥梁抗风稳定性验算：1、静力稳定性验算。

2、驰振稳定性验算。

3、颤振稳定性验算。

4、施工阶段的抗风稳定性检验。

11、地震力计算方法：静力法；动力反应谱；动态时程分析法。

12、桥梁结构地震反应解决的三个问题：1）确定合适的地震输入2）建立结构系统的数字模型及振动方程：一般采用有限元方法将结构呢离散化；建立桥梁结构力学模型；然后确定各离散单元的力学特性；最终建立相应的似真振动方程3）选择合适的方法求解地震振动方程得到地震反应。

13、延性结构分类：完全延性结构，有限延性结构，完全弹性结构。

14、减隔震系统包含：1、柔性支承装置。

2、阻尼装置。

3、必要的刚度要求和构造措施15、桥梁风工程的研究方法主要有三种：理论分析、风洞试验与现场观测以及数值模拟。