大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性綜述

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1、2013年l期西南公u~XINANGONGLU大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性綜述李維鐘蕾(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院成都610041)【摘要】抗風(fēng)穩(wěn)定性是大跨度橋梁設(shè)計(jì)和施工必須考慮的重要因素之一，甚至往往在多數(shù)情況下控制設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于大跨度橋梁進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性研究十分必要。介紹和探討國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有較先進(jìn)的橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性研究方法(包括理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬)，并就其特點(diǎn)進(jìn)行比較?！娟P(guān)鍵詞1大跨度橋梁；抗風(fēng)穩(wěn)定性；理論分析；風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)值模擬【中圖分類號(hào)1U441．3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼1A隨著世界經(jīng)濟(jì)和交通的飛速發(fā)展，再由于某些阻力=lpUD(I-1)地理?xiàng)l件的制約等因素，大跨度橋梁

2、已成為今后很長(zhǎng)一段時(shí)間橋梁工程的必然發(fā)展趨勢(shì)。然而，隨著~]-J-jF=lpUcB(1-2)跨度的不斷增加，橋梁結(jié)構(gòu)變得越來越柔、越來越輕、越來越容易振動(dòng)，尤其是風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)。扭矩=lpUB2(1-3)1940年，美國(guó)華盛頓一座主跨為853m的懸索橋一一T。mNrr0ws橋在8級(jí)風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)而其中，U為上游來流平均風(fēng)速，、C和C坍塌損毀，由此，人們意識(shí)到風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害分別為體軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩性并揭開了人類對(duì)于橋梁抗風(fēng)性能研究的歷史。其系數(shù)，D、分別為橋梁斷面的高度和寬度，式內(nèi)容包括橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性研究和風(fēng)致振動(dòng)研究。(1-1)到(1-3)表示的是單位長(zhǎng)度橋梁

3、斷面的風(fēng)荷載。1風(fēng)對(duì)橋梁的作用1．2風(fēng)致振動(dòng)對(duì)于大跨度橋梁，其斷面形式接近于流線型1．1靜風(fēng)荷載橋梁斷面在靜風(fēng)荷載作用下，將受到靜風(fēng)升時(shí)，由于結(jié)構(gòu)剛度較小，使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)很容易被力、靜風(fēng)阻力和靜風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩作用(這三種作用統(tǒng)激發(fā)，風(fēng)作用于結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出的不僅僅是靜力特稱為靜力三分力，如圖1所示)，將發(fā)生靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)性，還具有動(dòng)力特性，稱為動(dòng)風(fēng)荷載。風(fēng)的這種散和側(cè)向屈曲兩種變形以抵抗靜力三分力的作用。動(dòng)力作用引起了橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而振動(dòng)起來的當(dāng)來流風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時(shí)，風(fēng)致靜力小于結(jié)構(gòu)抗橋梁又反過來影響風(fēng)的流動(dòng)，改變風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作力，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；當(dāng)來流風(fēng)速達(dá)到臨界用，從而形成風(fēng)與橋梁的相互作用

4、機(jī)制。當(dāng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較小時(shí)，風(fēng)荷載風(fēng)速時(shí)，風(fēng)致靜力與結(jié)構(gòu)抗力相當(dāng)，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；當(dāng)來流風(fēng)速超過臨界風(fēng)速時(shí)，風(fēng)致靜即形成一種強(qiáng)迫力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生有限振幅的強(qiáng)迫振動(dòng)，包括渦振和抖振；當(dāng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用受力將大于結(jié)構(gòu)抗力，結(jié)構(gòu)將發(fā)生靜力失穩(wěn)。r到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大時(shí)，風(fēng)荷載受到振動(dòng)結(jié)構(gòu)的制約，主要表現(xiàn)為一種自激力，可能導(dǎo)致橋梁1結(jié)構(gòu)的發(fā)散性自激振動(dòng)，包括顫振和馳振。橋梁／l＼風(fēng)荷載及其效應(yīng)如圖2所示。此外，部分橋梁結(jié)構(gòu)＼／／M／構(gòu)件如斜拉橋的斜拉索可能在風(fēng)或風(fēng)雨共同作用圈1鳳荷栽在體軸坐標(biāo)系T~-=-分力下發(fā)牛風(fēng)雨振動(dòng)。西南公路流場(chǎng)相似；(1)R．H．Scanlan等

5、的理論分析方法在橋梁結(jié)構(gòu)(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚毰c實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的外形和動(dòng)力風(fēng)工程領(lǐng)域的發(fā)展起到了不可替代的推動(dòng)作用，但特性相似。通過對(duì)各理論分析方法仔細(xì)研究比對(duì)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诶瓧l模型試驗(yàn)：主要是作為節(jié)段模型試驗(yàn)的補(bǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析時(shí)，都對(duì)結(jié)構(gòu)模型采取了較多充，以測(cè)定橋梁主梁斷面在紊流和均勻流下的顫的假設(shè)和誤差取舍，因此其精度不是十分準(zhǔn)確，但振、抖振和渦激共振響應(yīng)。拉條模型試驗(yàn)可以僅考可以作為其他研究方法的理論指導(dǎo)。慮橋梁結(jié)構(gòu)的前幾個(gè)低階振動(dòng)模態(tài)響應(yīng)，既可以考(2)雖然風(fēng)洞試驗(yàn)在某些方面表現(xiàn)出了不足之慮二維效應(yīng)，也可以考慮三維效應(yīng)。處，如不能同時(shí)滿足相似律所提出的所有相似準(zhǔn)2．3數(shù)值模擬則，如雷諾數(shù)

6、等，再者，在風(fēng)洞試驗(yàn)中存在不可避數(shù)值模擬是利用計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)，免的洞壁的影響和模型支撐系統(tǒng)對(duì)模型流場(chǎng)的影模擬空氣流經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)在其周圍的流場(chǎng)分布情響，但由于在風(fēng)洞中的氣流參數(shù)如密度、速度、溫況，研究橋梁結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技度和壓力等都可以比較準(zhǔn)確的控制，且不受室外大術(shù)的飛速發(fā)展，目前很多學(xué)者都開發(fā)出了較為方便氣環(huán)境影響，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)既方便又準(zhǔn)確，有足夠?qū)嵱玫挠?jì)算流體力學(xué)方法，如有限元法、有限體積的可靠度，因此風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前所有研究方法中最法、離散渦法和有限差分法等。運(yùn)用CFD技術(shù)，可常用和可靠的手段。以較好地計(jì)算某些斷面的顫振導(dǎo)數(shù)和三分力系數(shù)，(3)數(shù)值模擬方法具有

7、操作簡(jiǎn)單、方便、成本但在有些情況下，數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的結(jié)果與低等優(yōu)點(diǎn)，但目前對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)模型風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的模實(shí)際值有較大的出入?？傊?，這是今后一個(gè)非常有擬不夠精確，故可以作為風(fēng)洞試驗(yàn)研究方法的一種發(fā)展前途的領(lǐng)域。輔助手段用以檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。參考文獻(xiàn)3總結(jié)l1l葛耀君著．大跨度懸索橋抗風(fēng)[M】．北京：人民交通出版社，2011：11橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性研究方法有很多，如上述[2]陳政清，項(xiàng)海帆編著．橋梁風(fēng)工程[M】．北京