浅谈风对桥梁结构的影响
张达21312174摘要桥梁结构因风的作用而遭到破坏的事故屡有发生。在风的作用下大跨度桥梁结构的抗风性能设计和施工的控制性因素尤其重要。通过结合桥梁风工程中己知的风的静力、动力特性，简述了桥梁结构在风作用下的静力及动力响应的主要形式以及大跨度桥梁设计时做的针对性的抗风设计。
关键词桥梁风工程风致振动大跨度桥梁抗风
随着我国交通运输业的不断发展，大跨度桥梁(特别是斜拉桥和悬索桥)已成为我国当今桥梁建设中的主流。从80年代以来，大跨度桥梁建设得到了一个迅速的发展。但，自1918年起全球至少已有11座悬索桥遭到风的影响而受损被毁。其中一个典型的事故是1940年美国塔科马悬索桥在19m/s的8级大风下因扭转而发生振动而坍塌。塔科马悬索桥的事故引起了桥梁工程界的震惊，也促进了风对桥梁结构作用的研究。近年来，国内外大跨度斜拉桥梁在下雨时发生剧烈的“雨振”以及并列布置的斜拉索发生剧烈的尾流驰振的报道也是越来越多。这些现象都表明了，风对桥梁结构的影响尤其是风对大跨度桥梁的动力作用是桥梁中不容轻视的重要问题。
我们都知道风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象。它同时受到风的自然特性、桥梁的动力性能以及风与桥梁相互作用等3方面的制约。而且风在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，结构会保持静止不动，使得这种空气力的作用只相当于静力作用。但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。
1 风的静力作用
当结构刚度较大因而几乎不振动，或结构即使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，此时风对桥梁的作用可以近似看作为一种静力荷载即风的静力作用。
风的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。我们可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。它们通常被称为气流作用力的
三分力，风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。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，作用于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。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。
桥梁载静力荷载作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。如现行桥梁规程中所规定的那样，主要考虑桥梁在侧向风荷载作用下的应力和变形，另外对于升力较大的情况，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主梁整体的横向屈曲，其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳向题以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矩增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳现象。
2 风的动力作用
大跨度桥梁，尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥，除需要考虑静风荷载的作用之外，更主要考虑风对结构的动力作用。其中对桥梁的动稳定性研究尤为重要。颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。
风的动力作用指桥梁结构在风作用下的空气弹性动力响应，它一般可分为两大类:
第一类，自激振动。在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。若颤振和弛振达到临界状态时，将出现危险性的发散状态。
第二类，强迫振动。结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，由于脉动风的随机性质，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应(阵风响应)称为抖振。涡激振动虽然带有自激性质，但它和颤振或驰振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种限幅的强迫振动，故该类振动具有两重性。
此外，大跨径斜拉桥中的长拉索在风雨共现气候条件下发生的所谓风雨振现象，常常引发拉索的大幅振动，有时还会激起桥面的振动，对桥梁的安全构成严重威胁。
2.1 颤振
对照旋涡脱落现象,振动的桥梁从流动的风中吸收能量,由此引起的不稳定被称为自激振动或颤振。颤振是一种危险性的自激发散振动，其特点是当达到临界风速时,振动着的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量,而该能量又大于结构阻尼所能耗散的能量,从而使振幅增大形成一种发散性的振动。对于近流线型的扁平断面可能发生类似机翼的弯扭耦合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振。由于流动的风对断面的扭转振动会产生一种负阻尼效应,当达到临界风速时,空气的负阻尼将克服结构自身的正阻尼,从而导致振动的
发散。
桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有这密切关系，通常来讲，主梁截面的流线性越好，气动稳定性越好。因此，在大跨度桥梁的初步设计阶段，有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化，以保证结构的抗风安全性。
值得指出的是，同一主梁截面在施工状态和成桥状态，在来流的不同情况下所发生的颤振形态也有所不同。对于扁平截面箱梁，施工阶段在水平来流条件下绕流较为平顺，通常发生的是弯扭藕合颤振，但在成桥状态安转了栏杆和隔离防栏后，则可能发生扭转颤振。同样，当来流具有一定夹角，截面在垂直于风向平面内的投影面积增大，因而使主梁钝化，也有可能发生扭转颤振。
上述2种颤振分析理论可以较好地解决悬索桥的颤振问题。但对于斜拉桥，则会出现多模态共同参与的颤振，应用多模态颤振分析方法来计算。因而桥梁结构的颤振分析方法可以概括为古典耦合颤振、分离流颤振和多模态颤振3种。
颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只有精心分析与设计,辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。
2.2 弛振
弛振是具有特殊横断面的细长结构物典型的不稳定性振动，在一定条件下沿横风向会出现大幅度振荡，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。根据来流的不同，弛振一般可分为横流弛振和尾流弛振。结构是否可能发生驰振，主要取决于结构横截面的外形。横风向弛振是由体轴升力曲线的负斜率
