桥梁结构的抗风性能研究

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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。桥梁风荷载及其效应如表1所示。

桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法探讨

桥梁在地震和强风等极端天气条件下的抗震和抗风设计是非常重要的，因为这些天气条件可能给桥梁结构带来巨大的破坏风险。在进行桥梁抗震和抗风设计时，需要考虑桥梁材料的强度、结构的刚度以及桥梁的几何形状等多个因素。本文将探讨桥梁抗震和抗风设计的理念和方法。

首先，桥梁抗震设计是为了使桥梁能够在地震中保持其完整性和稳定性。在进行抗震设计时，应考虑到地震引起的地震力和动力效应。地震力是指地震引起的作用力，而动力效应是指地震波所产生的动力荷载对桥梁结构的作用。为了抵抗这些力量和效应，可以采取多种措施，如增加桥墩的承受能力、加固桥梁结构内部的连接部分、采用一些减震设备等。此外，还应根据地震水平和桥梁的重要性确定设计参数，以确保桥梁在地震中能够承受相应的力量。

其次，桥梁抗风设计是为了使桥梁能够在强风条件下保持其稳定性和安全性。强风可能产生强大的风载荷，在桥梁表面、顶部和侧面产生巨大的压力。为了抵抗这些风载荷，可以采用一些措施，如增加桥墩的宽度和高度、采用空气动力学构件以减少风阻力、使用减压通风口等。此外，还应考虑到桥梁在不同风向下的稳定性以及风应力对桥梁材料和连接部件的影响，以确保桥梁在强风中能够承受相应的力量。

在进行桥梁的抗震和抗风设计时，可以应用一些设计方法来评估桥梁结构的性能。其中一个常用的方法是地震和风载荷的时间历程分析。通过对地震波和风速的变化进行模拟计算，可以得到桥梁结构在地震和强风条件下的动态响应。另一个常用的方法是使用有限元分析软件来建模和分析桥梁结构的行为。通过将桥梁结构划分为多个小元素，并对每个小元素进行力学分析，可以得到桥梁结构在地震和强风作用下的应力、应变和位移等参数。此外，还可以使用试验来评估桥梁结构的性能，例如通过对小样品进行抗震和抗风试验来研究桥梁的破坏机制和受力特点，以制定相应的设计规范。

综上所述，桥梁的抗震和抗风设计是非常重要的。在进行抗震和抗风设计时，需要考虑地震和风载荷的作用，并采取一些措施来增加桥梁结构的稳定性。可以通过应用时间历程分析、有限元分析和试验等方法来评估桥梁结构的性能，并根据评估结果来优化设计方案。通过合理的抗震和抗风设计，可以确保桥梁在极端天气条件下具有良好的安全性和稳定性。

铁路桥梁设计中的抗风能力分析

铁路桥梁作为铁路运输的重要组成部分，其安全性和稳定性至关重要。而风作为一种自然力量，对铁路桥梁的影响不可忽视。在铁路桥梁的设计过程中，充分考虑抗风能力是确保桥梁结构安全和正常使用的关键因素之一。

风对铁路桥梁的作用形式多种多样，包括静力作用、动力作用以及风与结构的相互作用等。静力作用主要是指风对桥梁结构产生的平均压力和吸力，这会导致桥梁构件的变形和内力增加。动力作用则更为复杂，如风致振动，包括颤振、涡振等，可能会引起桥梁结构的疲劳损伤甚至破坏。

在铁路桥梁的抗风设计中，首先要进行准确的风场特性分析。这需要收集桥梁所在地区的气象数据，包括风速、风向、风的湍流强度等。通过对这些数据的统计和分析，确定设计基准风速。设计基准风速是抗风设计的重要参数，它直接影响到桥梁结构所承受的风荷载大小。

桥梁的外形和结构形式对其抗风性能有着显著的影响。流线型的截面形状通常能够有效地减小风的阻力，降低风对桥梁的作用。例如，箱梁截面在铁路桥梁中应用广泛，其良好的气动性能有助于提高抗风能力。此外，桥梁的跨度、高度、宽度等几何参数也会影响风的作用效果。较长的跨度可能会使桥梁更容易受到风致振动的影响，因此在设计时需要采取相应的加强措施。 材料的选择在铁路桥梁的抗风设计中也起着重要作用。高强度、轻质的材料能够在保证结构强度的同时，减轻桥梁的自重，从而降低风荷载的影响。例如，采用高性能钢材或新型复合材料可以提高桥梁的抗风性能。

在结构体系方面，合理的支撑和连接方式能够增强桥梁的整体稳定性。例如，增加桥墩的数量和刚度、采用有效的梁墩连接方式等，都可以提高桥梁在风荷载作用下的抵抗能力。

对于可能出现的风致振动，需要进行专门的分析和评估。颤振是一种自激发散的振动现象，一旦发生会导致桥梁结构的迅速破坏，因此在设计中必须通过理论分析和模型试验确保桥梁不会发生颤振。涡振则是一种在特定风速下出现的有限振幅振动，虽然不会导致结构的立即破坏，但会影响行车舒适性和结构的疲劳寿命，也需要加以控制。

桥梁设计的抗风性能研究

在现代交通基础设施中，桥梁作为跨越江河湖海、山谷沟壑的重要建筑，其安全性和稳定性至关重要。而风，作为一种自然力量，对桥梁的影响不容忽视。桥梁在风的作用下可能会发生振动、失稳甚至倒塌，给人们的生命财产带来巨大损失。因此，桥梁设计中的抗风性能研究成为了保障桥梁安全的关键环节。

风对桥梁的作用主要包括静力作用和动力作用。静力作用是指风对桥梁结构产生的平均压力和吸力，如桥梁的主梁、塔柱等部位会受到风的直接作用，产生较大的风力荷载。动力作用则较为复杂，包括颤振、涡振、抖振等现象。颤振是一种自激振动，当风速超过一定临界值时，桥梁结构可能会发生剧烈的扭转或弯曲振动，导致结构破坏。涡振是由于风流绕过桥梁结构时产生的漩涡脱落引起的周期性振动，虽然振幅通常较小，但长期作用也可能对结构造成疲劳损伤。抖振则是由自然风中的紊流成分引起的随机振动，虽然不会直接导致桥梁结构的破坏，但会影响行车舒适性和结构的耐久性。

为了研究桥梁的抗风性能，工程师们通常会采用风洞试验、数值模拟和理论分析等方法。风洞试验是将桥梁模型放置在风洞中，通过模拟不同风速和风向条件下的风场，测量模型所受到的风力和振动响应。这种方法直观、准确，但成本较高，试验周期较长。数值模拟则是利用计算机软件对桥梁周围的风场和结构响应进行计算分析，可以快速获得大量数据，但需要对计算模型和参数进行合理的设置和验证。理论分析则基于流体力学和结构动力学的基本原理，建立数学模型来预测桥梁的抗风性能，但由于实际情况的复杂性，理论分析往往需要结合试验和模拟结果进行修正。

在桥梁设计中，提高抗风性能的措施多种多样。首先，合理的桥梁外形设计是关键。流线型的主梁截面、平滑的表面处理可以减小风的阻力和漩涡脱落，从而降低风对桥梁的作用。例如，斜拉桥和悬索桥的主梁通常采用扁平箱梁或流线型的钢箱梁，以减少风的影响。其次，增加结构的刚度和阻尼也是有效的手段。通过加强桥梁的主梁、塔柱等主要构件的强度和刚度，可以提高结构抵抗风振的能力。同时，在结构中设置阻尼器，如粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器等，可以消耗振动能量，减小振动幅度。此外，桥梁的附属设施，如栏杆、防撞护栏等，也需要考虑风的影响，进行合理的设计和布置，避免其对风场产生不利干扰。