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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。
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施摘要：悬索桥以主缆为主要承重结构具有跨越能力大、雄伟壮观、造型优美等优点而成为大跨径桥梁结构首选桥型之一。
但随着跨度的增大，悬索桥的刚度变小，对风的敏感性越来越大，对抗风要求也越来越高。
大跨度悬索桥在风荷载的作用下，主要构件会产生各种形式的振动。
简述了国内外悬索桥抗风的发展和研究历史，分析了悬索桥风致振动的形式，并提出增强结构刚度、抑制风致振动的抗风措施。
关键词：大跨径悬索桥、风致振动、抗风措施1 前言悬索桥是以缆索为主要承重结构的桥梁结构，由于其强大的跨越能力，成为跨越宽大江河、海湾的首选桥型之一。
我国修建悬索桥的历史久远，早在千年之前，四川就已出现竹索桥。
明清时期，在我国西南地区，修建有诸多铁索桥，有些索桥至今仍在使用，著名于世的有贵州盘江桥和四川泸定桥。
在国外，也存在古老的悬索桥，如麦地海峡桥和克里夫顿桥。
20世纪初，国外欧美等国家经历了工业革命，加上悬索桥计算理论的初步形成，使悬索桥得到迅速的发展。
由于缺乏对空气动力学的研究，1940年，美国塔科马桥被风摧毁而倒塌。
此后十年，悬索桥的建设进入了停滞期。
在塔科马老桥风毁后，人们意识到悬索桥抗风设计的重要性，开始进行很多风洞试验以探索悬索桥抗风措施。
抗风研究阶段后，世界各国为了适应日益增长的交通量和经济发展，兴起了修建大跨径悬索桥的高峰。
我国在90年代后，国家加强基础建设水平，悬索桥的发展迅猛，东南沿海地区地区和长江内河等地修建了诸多大跨度的悬索桥，如今建设已经走在了世界的前列。
但悬索桥由于跨径的增大，刚度减小，柔性问题突出，承受风荷载的能力逐渐减小，极易被风摧毁。
悬索桥的风毁破坏属于脆性破坏，破坏前是难以预测和预警。
因此，深入了解桥梁与风作用后效应，进行科学合理的抗风设计，采取有效的抗风措施提高桥梁的抗风能力，对于悬索桥的建设和发展具有十分积极的现实意义。
2 大跨度悬索桥风致振动形式风是指空气由于太阳加热不均匀而引起的流动，具有一定的速度与方向。
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。
因为风速突变而破坏的桥梁案例
你知道美国的塔科马海峡大桥（Tacoma Narrows Bridge）不？这可是个因为风速突变而被破坏的典型案例呢。
那座桥啊，看起来特别壮观。
当时大家都觉得这是个很厉害的建筑成果。
可是谁能想到啊，风这个调皮捣蛋的家伙一来，就把事情搞砸了。
那一天，风速突然就变得很奇怪，就像一个突然发疯的小怪兽。
本来大桥好好地在那站着呢，可是这风速突变产生的风啊，吹起来的力量特别诡异。
它不是那种普通的风，而是一种能让大桥开始“跳舞”的风。
对，你没听错，大桥开始晃悠起来了，而且越晃越厉害，就像一个喝多了的醉汉。
桥身开始扭曲、摇晃，那声音估计就像一个巨人在痛苦地呻吟。
最后啊，这桥就像一个被玩坏了的玩具一样，“哗啦”一声就垮掉了。
你看，这风速突变的威力可真是不容小觑啊，就这么一下子，一座好好的大桥就没了。
这也给后来建桥的工程师们提了个醒，在设计大桥的时候啊，一定得把风这个捣蛋鬼的因素考虑进去。
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）。
塔科马大桥简介塔科马大桥（Tacoma Narrows Bridge）位于美国华盛顿州的塔科马市和吉格港之间，是一座横跨塔科马海湾的悬索桥，也被称为“风之桥”（Galloping Gertie）。
塔科马大桥于1940年7月1日建成通车，但在通车后仅仅几个月的时间里，塔科马大桥就因为严重的振动而垮塌，成为了工程界的一个重大教训。
建设背景建设一座横跨塔科马海湾的桥梁一直是华盛顿州政府的梦想，早在20世纪初，就有一位工程师提出了建设桥梁的设想。
然而，由于经费和技术等问题，在数十年的时间里没有任何实际行动。
直到1938年，华盛顿州政府才决定启动塔科马大桥的建设。
建设塔科马大桥不仅可以解决华盛顿州南部地区的交通问题，还可以促进经济的发展，连接吉格港和塔科马市的交通运输更加便利。
工程概况塔科马大桥总长约1800米，主塔高约已分别为128米和121米，主跨距为853米，两侧支跨分别为290米和238米。
主塔采用了钢桶拆除式沉井施工，其特点是操作空间较大，便于塔基施工。
塔科马大桥的悬索结构由两条主悬索和许多斜拉索组成，主索由钢索捆绑，斜拉索连接主索和桥面，共同承担桥面荷载。
主塔和桥面之间通过横向和纵向支撑连接，以保持桥梁的稳定。
垮塌事件塔科马大桥在1940年7月1日正式通车，然而，在通车后的几个月中，塔科马大桥就频繁出现了严重的自振现象。
当时人们发现，桥面开始产生节奏性的上下波动，整座桥梁仿佛受到了风的控制。
自振现象的频率越来越高，桥梁的振幅也越来越大。
当地人将桥梁昵称为“风之桥”，吸引了大批游客前来观赏。
然而，这一切在1940年11月7日发生了彻底的改变——塔科马大桥突然垮塌。
在垮塌事件中，塔科马大桥的主塔和主悬索都完好无损，但整个桥面却坠入了水中。
调查显示，塔科马大桥的垮塌是由于风的不断激励引起的共振效应，最终导致了桥梁的毁坏。
灾后重建塔科马大桥的垮塌震惊了全世界，并引起了对桥梁工程设计和施工的关注。
灾后重建成为了当时工程界的重要任务。
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塔科马狭桥倒塌之谜
作者：
来源：《学苑创造·C版》2008年第09期
从前，在美国塔科马有一座著名的狭桥。
这座桥在施工时发生过摆动。
不时的振动使修桥工人感到眩晕。
桥竣工通车后，摇摆得更加厉害。
它吸引了不少远方客人驾车到此一游，为的是寻求刺激，尝尝汽车驶过摇摇晃晃的狭桥时的滋味。
在某些日子里，桥身上下振幅竟达1.5米，使得驾驶员看不见在他前面行驶的汽车。
有一天早上，桥突然停止振动，不一会儿它便疯狂地扭转振动起来。
30分钟后，第一块
桥面开始坠入水中，接着有200米长的路面断开，然后振动停止了几分钟，最后又发生新的振动，将残留的桥面全部掀到水里。
事后，人们对狭桥的设计找不出可以指责的地方，因为那时人们对于吊桥的空气动力学特性知道得很少。
这场灾难在当时说来是属于不可预测的(或称不可抗拒的)，但它对以后的大桥设计影响颇大。
出事那天的风并不特别大，但因为桥在风的作用下产生了共振，振幅不断增大，直至将狭桥破坏。
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?。
塔科马桥风振致毁——风与桥AbstractHistorically, the collapse of the Tacoma Narrows Bridge in 1940, after only a few months of service, prompted most of the research on aerodynamic stability of bridge.Before the Tacoma Narrows Bridge collapsed, bridge engineer were content to design for static loads produced by lateral winds, and the conventional design of bridges was focused mostly on the strength of aeroelastic investigation in structural design which included the rigidity, damping characteristics and the aerodynamic shape of the bridge. At the present time, it is considered more scientific to eliminate the cause than to build up the structure to resist the effect. The aerodynamic phase of the problem is the real challenge to bridge engineers, and in response to this challenge, we now have the new science of bridge aerodynamics.Basically, the research and knowledge of aeronautics and aerodynamics were brought to bear on the bridge problem, treating the deck section as an airfoil, i.e. like the wing cross-section of an aircraft. The results have been equally applicable to suspension and cable-stayed bridge. The development of the suspension bridge theory led to more economical, more slender and more ambitious structures. It was in the interest of maintaining these advantages and at the same time restoring aerodynamic stability that extensive research was started.When the first cable-stayed bridge was build in Sweden in 1955, the problem lf aerodynamic stability in bridge design did receive considerable study. However, that study did not then lead to explicit design rules and formulas. It should be noted that all extensive research done so far has not yet completed our knowledge of this problem.1、塔科马桥风毁介绍1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。
这一严重的桥梁事故，开始促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。
该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。
通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。
但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。
幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。
据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。
桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。
当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。
2、风荷载的研究实际上风对桥梁的力学作用，很早就有学者进行研究。
1759年Smeaton等就提出构造物设计时要考虑风压问题，从此开始有了风载荷的概念，但当时对风压的认识是不够的，也没有引起充分重视。
直至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发生之后，人们对风载荷所产生的作用才引起了高度的重视。
以这一事故为契机，开展了关于风压的研究，并将其反映到桥梁设计中。
1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压的大小是273千克／平方米。
这一时期，巴黎为迎接1889年万国博览会，计划兴建埃菲尔（Eiffel）铁塔。
为了确定作用在塔上的风压的大小，由著名工程师埃菲尔着手进行风洞实验，并在1909年成立了风力研究所。
研究所中设立的埃菲尔型风洞，至今仍被广泛使用。
这样，设计桥梁或建筑物时，就可以利用风洞试验定量地评价风荷载的大小。
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生的静力作用。
直至1940年，发生了一次风毁桥梁的特大事故，才使人们看到了风对结构物的另一种作用——风致振动。
3、风的效应和空气动力学上的稳定性塔科马桥在1940 年垮掉之后,在之后只有几个月的时间内,促进了在桥的空气动力学上的稳定性上的大部份研究。
一般来说导致桥梁振动的原因有3种：地震引起的振动、车致振动和风致振动。
这三种动力学问题目前都很活跃，仍处在学科的前沿。
当美国华盛顿州建成才4个月的塔科马桥（Tacoma）毁于暴风，人们在分析塔科马桥事故的原因时才发现，自1918年起，至少有11座悬索桥毁于风振。
塔科马桥在倒塌之前，工程师们以桥在侧面的风产生的静荷载作用下满足强度要求位设计依据，塔科马桥倒塌之后，工程师们开始注意桥的气体力学的形状，数十年来，关于桥梁对风致振动响应的分类人们已经取得了较为一致的认识。
桥梁工程的研究人员将大部分精力集中在动力失稳（主要是颤振）和紊流响应（抖振）方面。
基本上, 航空学的研究和桥的空气动力学问题有关,如机翼的甲板区段,也就是飞机的翅膀跨区段，结果证明是可以用到斜拉桥上的。
尽管航空学上耦合颤振和失速颤振的理论基本上适合于桥梁结构，但由于桥梁的振动具有多振型参与的特点，所以其分析要比机翼的经典颤振理论复杂。
目前对颤振的研究主要集中在两个方面：(1) 紊流条件下颤振导数的测量与识别；(2) 紊流对颤振的影响。
桥梁的抖振问题比（均匀流下的）颤振问题更为复杂。
现有的各种理论难于对抖振响应给出满意的预估。
4、定性分析风的动力效应风是一种自然现象，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，使靠近地面的风的流动发生紊乱，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。
为方便计，人们在处理风对桥梁的作用时，首先将风分成两部分：(1)假定风速在时间和空间上都是不变的，称此类风为平均风（稳定风）；(2)另一部分为风速在时间和空间上都改变，称它为脉动风。
从而再将风对桥梁的作用也归纳为两类：一类是风的静力作用，另一类是风的动力作用。
如果设计的桥梁刚度很大，在平均风作用下，桥梁保持静止不动或者其本身振动不影响气流的作用力，此时的定常反应（不随时间而变化的）称为风的静力作用。
这时垂直于桥梁的气流作用力可分解为三个分量，如上图，即气流方向的阻力，与其垂直方向的升力及升力矩。
它们通常被称为流气作用力的三分力，与风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。
如果设计的桥梁是个柔性结构，风的作用力会引起桥梁振动，而振动的桥梁反过来又将改变气流作用力，产生附加的气动力，形成风与桥梁的相互作用体系，这时的反应，我们称之为风对桥梁的动力作用。
风对桥梁的动力作用是一种十分复杂的现象。
为了便于分析，我们把振动分为两类：一类是在平均风作用下产生的自激振动；一类是在脉动风作用下产生的强迫振动。
自激振动是指振动的桥梁不断从流动的风中吸取能量，从而加剧桥梁的振动，甚至导致破坏。
前面所述的塔科马桥即是自激振动的典型例子。
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50米／秒的风速都是安全的，然而对风振却几乎未加考虑。
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，每遇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1.5米后振动就衰减下来。
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1/4点出现从＋45°至－45°的倾斜。
发生了扭曲振动约一小时之后，随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300米长的加劲梁坠入水中。
从力学角度看，风引起了桥梁的振动，而振动的桥梁与附加的气动力之间又形成了闭合关系，如下图。
如果风速超过某一数值时，便产生发散现象，变形将无限增大，桥梁便产生失稳。
这种振动状态的发散现象就称作颤振（或动力失稳）。
颤振是一种自激振动，是将风的动能转换为桥梁的振动能，而使桥梁的振幅增大。
颤振有多种形式，像塔科马桥这样的颤振，是绕中心轴的扭转振动，我们称之为扭转颤振。
驰振也是一种自激振动，和颤振相似，同样是一种发生在横风向的发散振动现象。
但和颤振不同的是，驰振只限于弯曲振动体系。
冬季，深山里的高压输电线上附着的冰雪使断面变成椭圆状态，铁塔间的输电线在风的作用下就会产生长周期（1～10秒），大振幅（1～10米）的振动，这种振动通常是在垂直于气流方向上的振动，这就是驰振（远看时如快马奔驰）。
在桥梁中，就有朗格尔桥的H型断面吊杆发生驰振而损坏的例子。
驰振一般发生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面结构中。
