大跨桥梁风效应的涡动力学机理与控制

高速列车横风效应及气动安全控制动力学1. 引言1.1 概述高速列车是现代交通领域的重要组成部分，以其快速、高效、安全的特点受到广大乘客的欢迎。

然而，在高速列车运行过程中，会面临各种风险因素，其中之一就是横风效应。

横风效应指的是列车在经过桥梁、隧道或其他开阔区域时受到侧向风力的作用所引起的动态响应问题。

1.2 研究背景随着高铁建设进一步推进，高速列车在我国铁路网中所占比例越来越大。

然而，在特定地理环境和天气条件下，如山区、河谷和海岸线等地区，强大的侧风可能对高速列车行车安全带来威胁。

因此，研究高速列车横风效应及相关的气动安全控制动力学显得尤为重要。

1.3 目的与意义本文旨在深入探讨高速列车横风效应及其对行车安全性能产生的影响，并了解气动力学安全控制技术在减轻这些影响方面的应用。

通过对横风效应现象的描述与分析，我们可以更好地了解其机理，并在此基础上提出有效的控制方法和技术手段，从而提高高速列车行车安全性能，并为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

总之，研究高速列车横风效应及气动安全控制动力学对于确保高速列车行车安全、推动交通事业发展具有重要意义。

本文将从定义与原因、影响因素、风险评估等方面进行深入分析，并结合国内外研究现状和发展趋势，最终给出结论与展望部分所述的前景展望和探索方向建议。

2. 高速列车横风效应2.1 定义与原因高速列车横风效应指的是列车在高速行驶时遇到侧风所引起的一系列气动力学效应。

在高速铁路运营中，以及特殊地理条件下，如开放地区、大型桥梁等情况下，横向侧风对列车的运行安全和稳定性带来了重大挑战。

侧风主要由大气层的非均匀垂直温度分布、地表的粗糙程度、山脉等自然条件导致。

当高速列车经过这些地区或受到这些影响时，会遭受到来自侧面的风压力，从而对列车产生偏移力和倾覆力。

2.2 影响因素高速列车横风效应受多种因素影响，以下是一些主要因素：- 列车速度：随着列车速度增加, 横风效应也越明显。

- 侧面积和形状：不同类型的列车具有不同形状的外壳和窗户，在不同角度下暴露给侧面风将导致不同程度的横风效应。

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。

大跨度桥梁涡致振动效应、原理及气动控制措施大跨度桥梁涡致振动效应是指由于桥梁结构内部涡旋的存在而引起的振动现象。

这种振动现象常常出现在大跨度桥梁的设计和施工阶段,会对桥梁的安全和健康产生不利影响。

涡致振动效应的原理是由于桥梁结构内部存在着微观的涡旋,这些涡旋会产生自旋力,使得桥梁结构在自旋力的作用下振动。

这种现象与声波传播类似,当一个物体发生自旋时,它会产生一个声源,并通过声发射和传播引起周围物体的振动。

大跨度桥梁涡致振动的影响因素包括桥梁本身的设计、施工和维护等因素。

桥梁设计时需要充分考虑涡致振动效应的影响,采取相应的措施来减少涡致振动的频率和振动幅度。

在桥梁施工过程中,需要对桥梁结构进行严格的测试和评估,及时发现并解决潜在的问题。

在桥梁维护期间,需要进行定期的监测和修理,以确保桥梁的稳定性和安全性。

为了控制大跨度桥梁涡致振动,可以采取以下几种气动控制措施:
1. 采用弹性元件:在桥梁结构内部嵌入一些弹性元件,例如弹性块或弹性杆件,减少桥梁结构的振动幅度和频率。

2. 采用阻尼器:在桥梁结构两端设置阻尼器,减少振动的传播和放大。

3. 采用滤波器:通过在桥梁结构内部安装滤波器,控制振动的频率和幅度。

4. 采用自适应控制:根据桥梁结构的实际情况,采用自适应控制算法,实时调整桥梁结构的气动控制措施,以达到更精准的控制效果。

大跨度桥梁涡致振动效应是一种普遍存在的现象,需要采取相应的控制措施来降低它对桥梁健康和安全的影响。

采取科学合理的方法,可以使大跨度桥梁涡致振动得到有效控制,确保其安全和使用寿命。

大跨径斜拉桥抗风稳定性研究摘要：伴随着我国桥梁跨径的不断延展伸长，对于柔性较大的斜拉桥来讲，在设计时需要考虑风致效应产生的空气动力问题，对应问题需要多方面因素出发提出风振控制手段措施，以保证大跨径斜拉桥具有足够的抗风稳定性。

关键词：大跨径桥梁；风致效应；气动措施中图分类号：TU 13 文献标志码：A 文章编号：1940年塔科马海峡大桥发生严重风毁事件，引发了国际桥梁工程界及空气动力界的极大关注，这也标志着自此为桥梁风工程研究的起点，使得在桥梁设计之中开始考虑桥梁风致效应的严重性。

由此可见风致效应对大跨径桥梁有着极其重要的作用，桥梁在抗风方面的研究也有着举足轻重的意义。

明确大跨径斜拉桥在抗风设计中的设计要点；找到大跨径斜拉桥不同设计参数对结构气动稳定性的影响；根据风致振动的机理，能够采用相应的结构措施、气动措施、机械措施来提高桥梁的抗风性能[1]，具有重要工程价值及研究意义。

1 桥梁风致灾害实例2020年5月5日下午15时左右，连接珠江两岸的广东虎门大桥发生了异常的抖动现象，悬索桥桥面晃动不但感知明显，影响了行车的舒适性及交通安全性，且其振幅在监控中显示为波浪形，幅值过大。

这件事情引发了不单有我国桥梁工程专业的广泛关注，在社会中也激发了广大人民群众的激烈讨论及反响。

此次虎门大桥的异常晃动并没有发生一定的损失，相关部门也立即采取措施，对虎门大桥进行双向封闭管制，对虎门大桥也进行了紧急的全面检查检测，交通运输部也组建了专家工作组到现场进行研究指导。

随着我国大跨径桥梁的发展建设，桥梁风害也时有发生，例如广州九江公路斜拉桥在施工过程中吊机被8级大风吹倒进而砸坏主梁；江西长江公路铁路两用桥吊杆发生涡激共振；上海杨浦大桥斜拉索的风雨振引起的拉索索套严重毁坏等[3]。

灾害的发生时刻警醒着人们，大跨径斜拉桥的设计中有关抗风设计日益成为焦点；桥梁风害的问题的重要性，促使着人们对桥梁风致效应的研究不断深入。

2 桥梁结构的风致效应桥梁结构的风致效应十分复杂，它受结构的形状、刚度、风的自然特性以及二者相互作用的影响。

大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究秦浩;廖海黎;李明水【摘要】基于崇启大跨度连续梁桥，设计制作大尺度全桥气弹性模型，通过风洞试验对其在均匀流下响应进行研究，确定大跨度双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动特性，分析双幅主梁产生两主涡振区机理，模拟外加结构阻尼对涡激振动减振效果。

结果可为大跨度双幅钢箱梁连续梁桥抗风设计提供参考。

%The long span continuous steel beam bridge,with low damping ratio and flexible structure is apt to produce vortex induced vibration.Based on the Chongqi long span continuous beam bridge,a large scale aeroelastic model of the completed bridge was designed and manufactured.By the wind tunnel test,the vortex induced vibration of the model,under uniform flow,was observed.Besides,the mechanism that leads to two main vortex vibration zones of the separate twin box girder was analyzed.The additional damping was implemented to reduce the vortex induced vibration. The results provide a reference to the wind-resistant design of large span continuous beam bridge.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2014(000)014【总页数】5页(P206-210)【关键词】大跨度;气弹模型;涡激振动;风洞试验;阻尼比【作者】秦浩;廖海黎;李明水【作者单位】西南交通大学风工程试验中心成都 610031;西南交通大学风工程试验中心成都 610031;西南交通大学风工程试验中心成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U441.3大跨度钢箱梁连续梁桥由于阻尼小，在常遇风速下存在发生涡激振动可能。

桥梁风致振动综述摘要：桥梁，作为一种连接构造物，从古至今扮演着跨越天堑、连接通达的重要角色。

从最开始的天然桥梁，到慢慢出现的石拱桥，到梁桥板桥，再到现代桥梁结构，桥梁的发展历史悠久，并且成果斐然。

但是在发展的过程中，不可避免的遇到了很多问题，这些问题有些被攻克解决了，还有一些仍未能被人类精确地理解和研究，仍在威胁着桥梁的安全。

本文主要讨论大跨度桥梁的风致振动问题与抗风设计方法。

关键词：桥梁风致振动，大跨度桥梁，桥梁抗风设计一、大跨径桥梁的轻柔化在了解风致振动、风工程之前，我们先要了解，风究竟是什么呢？风是大气边界层内空气流动现象, 并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。

在研究风对桥梁的作用时, 通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风速两部分。

风作用于桥梁结构时, 由风的压力作用形成对结构的风荷载, 同时, 风还会引起桥梁的颤振、驰振、抖振和涡激振动等各种形式的振动。

20世纪，大跨径桥梁得到了发展，然而在这些发展初期，风致振动稳定并没有成为大跨径桥梁的重要控制因素。

直到1940年11月，位于美国华盛顿州、仅建城4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在风速甚至不足20m/s的风下，发生了破坏。

这场破坏举世震惊，也第一次让工程师们认识到风对于大跨径桥梁的重要作用。

那么为什么，大跨径桥梁对风的敏感性这么高呢？这里我们要从大跨径桥梁的轻柔化说起。

为了减轻自重，增强跨越能力，比起传统混凝土桥梁，大跨径桥梁通常采用钢结构、钢混组合、结合结构等。

我们知道，钢材料的阻尼（damper）要小于混凝土，那么大跨径桥梁材料的基频也较小，通常为0.08Hz左右，而风的卓越频率在0.1Hz左右，二者比较相近，易产生共振；而相应的，地震卓越频率在1Hz左右，不易于大跨径桥梁产生共振。

这就解释了为什么大跨径桥梁对风作用敏感、对地震作用较不敏感，而小跨境桥梁恰恰与之相反。

二、风工程风工程（wind engineering）是指与自然风有关的生活或工业应用设施等主要涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性。

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。

桥梁风工程研究综述公路桥梁建设己进入了大跨度时代，斜拉桥的主跨已达1088m（苏通长江大桥），悬索桥的主跨己接近2000m的跨度（日本的明石海峡大桥）。

大跨度桥梁有“塔高、跨大、索长、质轻、结构柔、阻尼弱”的特点，因而，风荷载往往是大跨度桥梁设计的控制因素。

桥梁受到风的作用，历史上发生过10多起没有恰当考虑风的作用而“风至桥塌”的事故。

在这些事故中，美国塔科马桥（Tacoma）的垮塌震惊了世界桥梁界，使人们认识到大跨度桥梁设计只考虑静态风荷载还远远不够，一定还存在风致振动机理威胁着桥梁的安全，并由此促成了风工程这一边缘学科的兴起和发展。

1.桥梁结构风振振害当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动，这种空气力作用只相当于静力作用；当桥梁结构的刚度较小时，结构振动得到激发，这时空气力不仅具有静力作用，而且具有动力作用。

风的动力作用激发了桥梁风致振动，而振动起来的桥梁又可能反过来改变流场和空气力，形成风与结构的相互作用。

在桥梁设计时，不仅要考虑桥的静风荷载，同时也要考虑风对桥的振动作用。

桥梁结构风致振动可分为两大类：一类为发散性振动，包括经典藕合颤振、分离扭转振动和驰振；另一类为限幅振动，包括涡激振和抖振两种。

发散性振动有造成桥梁空气动力失稳而风毁的危险（上述的塔科马桥即为一例），因而必须避免。

风振的主要振害有：抖振和涡激振是一种频度大、在低风速下发生的有限振动，往往会造成桥梁构件的疲劳损伤或局部破坏；也可能危及行车安全或造成司乘人员的不适。

此外，施工阶段过大的振动会造成施工质量无法保证或停工；驰振是一种发生在单自由度弯曲振动体系横风向的发散振动，主要表现在索结构桥梁的索塔、斜拉索中。

对于索塔，由于其高度大、施工工况多，其动力特性又在不断地变化，驰振抑制主要在施工阶段，对于拉索，驰振形式有二，其一为雨振，即拉索在雨天会发生比晴天更大的风致振动，其二为尾流驰振，即背风拉索会比迎风拉索发生更大的振动。

这两种拉索驰振机理还有待进一步研究；拉索参数振动，即在风速不高的情况下拉索横向局部振动，许多大跨度斜拉桥曾发生过这种振动，如伯劳东纳斜拉桥曾发生拉索相碰事故，由于拉索是斜拉桥的生命线，故拉索参数振动已引起了桥梁界的广泛关注。

浅谈涡激共振及控制作者：蔡素梅孙小惠来源：《卷宗》2016年第04期摘要：当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时会发生结构涡激共振，这是结构风致振动中最常见的一种现象。

高宽比很大的超高层建筑、烟囱、桥梁等结构都有可能发生整体结构的涡振，也普遍发生于长细比大的构件如拉索、吊杆、拱桥立柱、格构式结构中。

当涡激振动的振幅超过规定限制，必须采取相应的措施解决。

涡激共振现象的主要研究手段是弹性悬挂节段模型风洞实验，而且模型比例应该尽可能大，这是因为涡激振动对结构外形极为敏感，且可能存在显著的雷诺数效应。

但是对涡振的研究仍然属于灰色系统。

在实际工程中，控制结构涡激共振的措施主要有结构措施、气动措施及机械措施等。

关键词：涡激振动；控制措施1 引言1940年美国中跨为853米Tacoma吊桥在八级大风中发生大幅扭转振动，70分钟后中跨加劲梁全部落入海中，这一事故给桥梁工程界造成巨大冲击的同时，也促进了桥梁风工程的发展与进步。

经过半个多世纪的努力，桥梁对风反应虽尚有不明之处，但已基本明确如下若结构非完全刚性，或具有弹性支撑，在空气动力的作用下，它将会产生振动。

但只要振动位移响应充分小，它就不会影响结构的漩涡脱落。

随风速的增加，结构漩涡脱落频率线性增加。

当结构的漩涡脱落频率与结构的某阶自振频率接近时，结构会发生明显的涡激共振现象。

结构涡激共振现象具有明显的气动弹性效应。

由于涡激共振是在低风速时发生，不可能将发振风速提高到设计风速之上，只能采取措施不使其发生或将其振幅限制在规定范围内。

在桥梁工程中，涡激振动虽不会直接带来桥梁的毁坏，但会带来桥梁功能障碍，人的不适感，构件的疲劳损伤，甚至可能诱发其他类型致命的动态不稳定现象。

所以，必须重视涡激共振的控制。

丹麦Great Belt East悬索桥和巴西Rio-Niteroi大桥等连续梁和连续刚构桥都发生了振幅较大的竖弯涡振。

拱肋的小幅涡振有时会激发吊杆的大幅振动，其振幅可达1m以上，这对桥梁的安全构成新的威胁。