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1、橋梁抗風(fēng)設(shè)計、風(fēng)洞試驗及抗風(fēng)措施?46?北方交通201l橋梁抗風(fēng)設(shè)計,風(fēng)洞試驗及抗風(fēng)措施劉長宏,劉春,宋俊杰(中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司大連分公司,大連116000)摘要:橋梁應(yīng)具有抵抗風(fēng)作用的能力,特別是大跨度橋梁,其柔性較大,設(shè)計時必須考慮顫振,抖振,渦激振動等空氣動力問題,通過抗風(fēng)設(shè)計,風(fēng)洞試驗,抗風(fēng)措施來確定橋梁風(fēng)荷載和抗風(fēng)性能是大跨度柔性橋梁抗風(fēng)研究的主要手段.關(guān)鍵詞:橋梁;風(fēng)荷載;顫振;節(jié)段模型;風(fēng)洞試驗中圖分類號:U442.59文獻標(biāo)識碼:B文章編號:1673—6052(2011)10—0046—021橋梁抗風(fēng)設(shè)計的目的橋梁
2、抗風(fēng)設(shè)計的目的在于保證結(jié)構(gòu)在施工和運營階段能夠:(1)對于可能出現(xiàn)的最大靜風(fēng)荷載,橋梁不會發(fā)生強度破壞,變形和靜力失穩(wěn).(2)為了確保橋梁的抗風(fēng)安全性,橋梁發(fā)生自激發(fā)散振動(如顫振)的臨界風(fēng)速必須高于橋梁的設(shè)計風(fēng)速,并具備一定的安全儲備,即:臨界風(fēng)速>安全系數(shù)X設(shè)計風(fēng)速.對于顫振驗算,通常安全系數(shù)取為1.2.(3)對于限幅振動,盡管其振幅有限,但因其發(fā)生的頻率高,可能會引起結(jié)構(gòu)的疲勞損傷或影響結(jié)構(gòu)正常使用,使行人感到不適以及影響施工的Jl~,N進行等,所以也應(yīng)將橋梁可能發(fā)生的限幅振動的振幅減小到可以接受的程度,即:最大響應(yīng)≤容許值.2
3、橋梁抗風(fēng)設(shè)計橋梁抗風(fēng)設(shè)計大體可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗兩個階段.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計階段這一階段的工作內(nèi)容包括對橋位處風(fēng)速資料的收集,風(fēng)觀測,風(fēng)的特性參數(shù)選取等.根據(jù)全國基本風(fēng)壓分布圖,并考慮橋址處的地形地貌情況,橋梁高度和橋跨長度,自然風(fēng)的特征等因素,確定橋梁的設(shè)計風(fēng)速,設(shè)計風(fēng)荷載和自激振動檢驗風(fēng)速.設(shè)計內(nèi)容是提出抗風(fēng)設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計的多項要求,作為確定橋梁結(jié)構(gòu)體系,各構(gòu)件的材料,形狀,尺寸等的參考.其中最重要的是結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)斷面形狀的氣動選型.2.2結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗階段該階段包括靜力抗風(fēng)性能和動力抗風(fēng)檢驗兩部分.靜力抗風(fēng)檢
4、驗包括根據(jù)規(guī)范或通過風(fēng)洞試驗確定結(jié)構(gòu)斷面的靜力氣動力系數(shù),計算出作用在橋梁各個部分的靜風(fēng)荷載,進而計算出在靜風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,變形,檢驗結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性.動力抗風(fēng)檢驗包括橋梁在施工及運營狀態(tài)時的顫振特性,渦激共振特性,抖振特性檢驗.采用風(fēng)洞試驗或半試驗半理論的方法給出橋梁的顫振臨界風(fēng)速形態(tài),渦激共振的發(fā)生風(fēng)速和振幅估計,抖振振幅及其產(chǎn)生的慣性力.對于顫振臨界風(fēng)速的確定,下面列出VanDerPut的近似公式,以考證臨界風(fēng)速的影響因素.在橋梁初步設(shè)計階段,通?？刹捎孟率焦浪闩R界風(fēng)速U:r廠■——～1U_【l+(8—0～√.721~)Jb式
5、中:一主梁截面幾何形狀折減系數(shù),對于目前用于懸索橋或斜拉橋的流線型扁平箱梁,該值約為0.7～0.9;對于截面較鈍的混凝土箱梁,該值可低達0.3～0.5;8一橋梁的扭轉(zhuǎn)頻率與豎彎頻率之比;r一主梁截面的慣性半徑;一主梁單位長度質(zhì)量與空氣的質(zhì)量比;(1)一豎彎頻率;b一半橋?qū)?從上式大致可以看出,主梁截面越扁平,流線型越好,臨界風(fēng)速越高;橋梁的剛度越大,固有頻率越高;主梁越重,臨界風(fēng)速越高.因此同樣截面的混凝土主梁比鋼主梁對抗風(fēng)更為有利.3橋梁動力抗風(fēng)設(shè)計的基本方針對于大跨度柔性橋梁,如懸索橋和斜拉橋的抗第10期劉長宏等:橋梁抗風(fēng)設(shè)計,風(fēng)洞試驗
6、及抗風(fēng)措施?47?風(fēng)設(shè)計則應(yīng)特別注意動力抗風(fēng)設(shè)計.橋梁動力抗風(fēng)設(shè)計的基本方針是:(1)提高結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速,使之大于設(shè)計風(fēng)速,即不會發(fā)生危險性的發(fā)散型風(fēng)致振動;(2)減少各種限幅風(fēng)致振動(渦激共振,抖振等)的振幅,使之控制在可以接受的范圍內(nèi).為了使橋梁在使用期間內(nèi),在預(yù)計的強風(fēng)作用下不損害橋梁的安全性和使用性,首先應(yīng)掌握架橋地點的強風(fēng)特性,決定橋梁的設(shè)計風(fēng)速,并據(jù)此推測風(fēng)對橋梁的作用,校核抗風(fēng)安全性.如果判斷有可能會發(fā)生上述有害的振動,就應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)姆乐箤Σ呋蜻M行設(shè)計變更.4風(fēng)洞試驗在確定風(fēng)引起的橋梁響應(yīng)時,通常可采用已有的理論分析和風(fēng)洞模型
7、試驗等方法.但由于橋梁斷面形狀復(fù)雜多樣,用純理論分析方法求解作用在橋梁上的空氣力及風(fēng)致振動響應(yīng)相當(dāng)困難.因此,采用風(fēng)洞模型試驗仍是目前抗風(fēng)設(shè)計最有效和最可靠的手段.風(fēng)洞試驗是空氣動力學(xué)研究的一個十分重要且不可替代的手段.它是在風(fēng)洞實驗室模擬大氣邊界層的實際風(fēng)環(huán)境和實際建筑結(jié)構(gòu),根據(jù)實驗室中的模型響應(yīng)考察實際結(jié)構(gòu)響應(yīng).對于復(fù)雜環(huán)境下,有復(fù)雜外形的橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究,用其它手段很難進行時,風(fēng)洞試驗只需對實際條件作適當(dāng)?shù)暮喕?就可以達到研究目的.風(fēng)洞試驗是目前采用最普遍,最有效的研究手段.通過精心設(shè)計的各種風(fēng)洞試驗,可以預(yù)測實橋的空氣靜力穩(wěn)定性,
8、動力穩(wěn)定性以及是否有影響正常使用的風(fēng)致振動現(xiàn)象等.所謂風(fēng)洞(windtunne1),通常指一個可產(chǎn)生氣流的閉合環(huán)形管道.風(fēng)洞的種類很多,一般可依照不同的用途,由其供試驗用區(qū)域(稱
