• 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
• 有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行 车安全
• 因振幅小，难见实桥抖振录像 • 双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！！
抖振－全桥气弹模型试验
湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验
(5) Divergence 静力失稳
微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）
近地风特性－风环境
在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流 度减少
四类场地：A,B,C,D 按地表粗糙度划分
基本风速 U 1 0 ：B类，10m高，10min平均，百年一遇，
桥面高度Z的设计风速
Uz
U10
( Z ) 10
,
指数 对A,B,C,D四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30
桥梁抗风设计方法与工程应用
2012年6月
目录
1. 起源与历史 2. 桥梁风致振动的类型 3. 桥梁风致振动基本理论与抗风设
计方法 4. 工程应用实例
起源与历史
桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故
• 位于美国西北的华 盛顿州
• 1940年3月通车， • 1940年7月风毁，
风速18 米/秒。 • 主跨853米，桥宽
基本特征： •扭转与弯曲复合振动，扭转为主 •发散的自激振动 •均匀流场即可发生 •可能有明显的临界风速点
全桥颤振－tacoma桥
大幅度扭转振动
杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振
2006年8月，广东一拱桥 在24m/s风速下的振动录 像（田仲初摄）
连续振动13小时至吊杆的 翼板断裂
(2) Vortex shedding vibration 涡激共振
脉动风特性
紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范p46)
结构动力特性分析
fb
110 L
fb
0.1 L
Ec Ac m
C ft L
三分力
• 三分力－风荷载的三个分量（二维理论）
阻力，升力和升力矩： 是截面上分布压力的合力 与截面形状有关，与风攻角有关，与自身振动有关 静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有体轴和风轴两种坐标系
FV
V
α
MT
FH
风荷载在体轴坐标系下的三分力
静力三分力系数及其影响因素
• 无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的 静力风荷载的共同特征。
• 利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：
阻力
FH
1 2
U2CHD
升力
FV
1 2
U2CV
B
扭矩
MT 12U2CMB2
系数，CH，CV，CM
全桥气弹模型风洞试验
风荷载与风致响应的分类
3、桥梁风致振动的基本理论
与抗风设计方法
研究内容与特点
• 桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构 的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解 决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的 柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。
静三分力系数随攻角变化
(1) 驰振理论
• 当气流经过一个在垂直气流方向上处于 微振动状态的细长物体时，即使气流是 攻角与风速都不变的定常流，物体与气 流之间的相对攻角也在不停的随时间变 化。由气动三分力曲线可以看出，相对 攻角的变化必然导致三分力的变化，三 U 分力的这一变化部分形成了动力荷载， 即气动自激力。由于按相对攻角变化建 Uα 立的气动自激力理论，忽略了物体周围 非定常流场的存在，仍将气流看作是定 常的，因此这种理论称为准定常理论 （Quasi-Steady Theory）,相应的气动 力称为准定常力。
2、风致振动的类型
1. Flutter 颤振 2. Vortex shedding vibration 涡振（涡激共振） 3. Galloping 驰振 4. Buffeting 抖振 5. Divergence 静力失稳 6. Wake induced vibration 尾流致振
(1) Flutter颤振
• 机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡， 涡脱落时产生对柱体的作用力， 涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振
• 特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生； 弯曲或扭转
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
10跨连续刚构桥，主跨240米， 单箱钢梁，梁高 3～10米
Trans-Tokyo Bay Bridge
钢桥涡振实例－日本东京湾桥
拱桥矩形吊杆涡振 （日本傍花大桥）
(3) Galloping 驰振
• 细长杆件的大幅弯曲振动 • 自激的发散的振动，最先在结冰输电线上
发现 • 可能发生在桥梁的：
斜拉索，吊杆，超高塔柱
斜拉索风雨振－驰振
随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构 阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。
• 机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作 用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳
同济大学提供
(6)尾流干扰
• 机理：气流依次流过前后两个柱体（串 列）而产生的相互干扰作用
• 效应：降低颤振临界风速； 产生涡振和驰振
尾流干扰实例－1: 赛车
即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发生 涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生