厦门大学《风工程》课件-2大跨桥梁抗风_风洞试验

• 桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因 此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构 响应。
• 风致振动是研究的重点和难点。 汽车：风阻系数 建筑：风荷载，风致振动（舒适性） 桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易
振动
高跨比： 苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥 3.51/1650=1/470
• 至1950‘年代：建立气动弹性力学基础 Wagner，Theodonson，Sears， • 1960’年代：
桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国） 桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan • 1970‘年代：英国Severn桥的抗风设计 • 1980’年代：日本本州－四国连线工程，跨度 1991m的明石桥 • 1990‘年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国
11.9米，梁高2.4米 • 宽跨比1：72，高跨
比1：350 ！！ • 主梁截面形式：
H型板梁
旧塔科马海峡桥风毁事故
• 原因：扭转颤振－风致自激发散振动 • 教训：桥梁要有空气动力稳定性。 • 途径： （1）主梁良好的气动外形 （2）保证桥梁扭转刚度 （3）风洞试验， （4）建立桥梁抗风理论
发展简史
• 基本思路：
本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效 应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的 和自激的。
• 基本方法：理论分析，风洞试验，CFD
往往需要多种方法的综合应用与相互校核
• 重要假定：条带假定：
等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等
• 主要对策
(4) Buffeting 抖振
• 机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动

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（2）Shiotami 建议采用只与两点距离有关的简单表达式。 zi z j coh( zi , z j ) exp Lz
xi x j coh( xi , x j ) exp Lx 2 2 12 zi z j xi x j coh( xi , x j , yi , y j ) exp 2 2 Lz Lx
i j
S Pi Pj ( ) S Pi ( ) S Pj ( ) coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , )
其中，SPi ()、SPj () 分别为 i、j 两点脉动风力的自功 率谱密度函数，两点的坐标分别为 ( xi , yi , zi ) 和 ( x j , y j , z j ) ，两 点处脉动风力的相干函数为 coh( xi , yi , zi , x j , y j , z j , ) 。 上述系列公式可用于对任意结构的脉动风力响应进行计 算，包括了各振型响应以及各振型耦合项响应的贡献。考虑 的模态越多，结果越准确，越接近于时程分析的结果。
2 lk
l
2
T
S P P ( ) l i j
T
yk ,l lk


0
H l (i )
l
S P P ( ) l d i j
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上面对公式的推导过程中， () S P P ( ) 矩阵中的元素 SPP i j 可从风洞试验数据中获得或者由下列公式求得：
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对于高层与高耸结构，如仅考虑第1阶振型的影响，即认 为第1阶振型的响应起主要作用，可得到响应公式如下：

冷锋和暖锋的例子
地方性风（局部风） 地方性风（局部风）
焚风 布拉风
地方性风（局部风） 地方性风（局部风）
雷暴
地方性风（局部风） 地方性风（局部风）
雷暴
地方性风（局部风） 地方性风（局部风）
龙卷风
龙卷风视频
风力的等级
1806 by Francis Beaufort,
风力的等级
台风的命名规则
大气环流风
热力二级环流： 热力二级环流：飓风和季风
在高压或者低压中心， 在高压或者低压中心，由于底层大气的增热或者冷却而发展形成的的热力 型环流称为二级环流
季风：季节性的风 热带气旋：能量来自于水气冷凝所释放的潜热，直径一般为几百km， 能量来自于水气冷凝所释放的潜热，直径一般为几百km， km
风洞试验简史： 风洞试验简史：国际部分
风工程研究概述
1940年发生旧塔科马大桥风毁事故后 年发生旧塔科马大桥风毁事故后， ★ 1940年发生旧塔科马大桥风毁事故后，开始逐步研究并认识风对结构的动 力作用运动的测量 1950年 ★ 1950年，美国华盛顿州立大学的法库哈森教授进行了有史以来第一个全桥 气弹模型风洞试验， 气弹模型风洞试验，并成功地重现了塔科玛海峡大桥的颤振风毁现象
风工程研究意义
风工程研究概述
★风工程学科的研究始于旧塔科马海峡大桥的风毁事故
风工程研究意义
风工程研究概述
★ 随着结构的跨度或高度的不断增加，结构变得越来越柔，对风的敏感性 随着结构的跨度或高度的不断增加，结构变得越来越柔， 也随之增加，风荷载成为控制结构设计的关键因素之一 也随之增加，
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桥梁抗风与风洞试验浅析作者：崔会芳侯娜曹娟丽高斐来源：《科技探索》2013年第11期摘要：随着现代大跨桥梁跨径记录不断被刷新，结构随之趋于轻柔，阻尼减小，风荷载成为很多桥梁设计的控制性因素，所以对于桥梁的抗风研究显得十分必要。

本文将探讨介绍风对桥梁的作用、桥梁抗风的研究方法及目前作为桥梁抗风最普遍的研究方法的风洞实验。

关键词：桥梁抗风风洞试验引言现代桥梁在跨度、材料、桥型、结构设计、施工方法等方面都发生了重大进步。

进入21世纪以后，科技的进步、新材料的开发和应用等使得桥梁向着长大化，轻柔化发展，使其在风作用下的非线性特性更加突出，从而提出了桥梁抗风研究的精细化问题。

1风对桥梁的作用（1）静风荷载平均风产生的静力荷载称作静风荷载。

静风荷载对大跨径桥梁的作用一般简化为风对结构的阻力、升力和升力矩的三分力的共同作用。

风对桥梁的作用包括顺风向的阻力FD（t）、竖向升力FL（t）和因升力形成的升力矩FM（t）。

以前人们普遍认为大跨桥梁的空气动力临界风速一般都低于空气静风失稳风速，所以自从开始研究桥梁空气动力学以来，大跨桥梁抗风研究主要集中于结构动力失稳的问题上。

直至1967年日本东京大学的Hirai教授在悬索桥的全桥模型风洞试验中观察到了空气静力扭转发散现象，空气静力稳定性问题才逐渐提上议程。

（2）风致振动对于大跨度桥梁而言，当断面形式接近于流线型时，由于结构刚度小，使得结构振动容易被激发，风作用对于结构表现出的不仅仅是静力特性，还有动力特性，称为动风荷载。

风的这种动力作用引起桥梁结构的振动，振动起来的桥梁又反回来影响风的流动，改变风对结构的作用，从而形成了风与桥梁的相互作用机制。

风对结构的作用受结构振动的影响较小时，风荷载形成一种强迫力，致结构发生有限振幅的强迫振动，包括涡振及抖振；当风对结构的作用力受到结构的振动影响较大时，风荷载受到振动结构的制约，主要表现为一种自激力，可能导致桥梁结构的发散性自激振动，包括颤振和驰振。