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1、陈政清陈政清 湖南大学风工程研究中心湖南大学风工程研究中心2012年年6月月桥梁抗风设计方法与工程应用桥梁抗风设计方法与工程应用1篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统目录目录1.起源与历史起源与历史2.桥梁风致振动的类型桥梁风致振动的类型3.桥梁风致振动基本理论与抗风设桥梁风致振动基本理论与抗风设计方法计方法4.工程应用实例工程应用实例2篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统起源与历史起源与历史3 桥梁风工程研究始于桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风
2、毁事故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4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5篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来
3、决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统发展简史至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，Scanlan1970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6篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2、风致振动的类型1.Flutter颤振2.Vortexsheddingvi
4、bration涡振（涡激共振）3.Galloping驰振4.Buffeting抖振5.Divergence静力失稳6.Wakeinducedvibration尾流致振7篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(1)Flutter颤振基本特征：基本特征：扭转与弯曲复合振动，扭转为主扭转与弯曲复合振动，扭转为主发散的自激振动发散的自激振动均匀流场即可发生均匀流场即可发生可能有明显的临界风速点可能有明显的临界风速点8篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统全桥颤振t
5、acoma桥大幅度扭转振动大幅度扭转振动9篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振连续振动连续振动13小时至吊杆的小时至吊杆的翼板断裂翼板断裂2006年8月，广东一拱桥在24m/s风速下的振动录像（田仲初摄）10篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(2)Vortexsheddingvibration涡激共振机理：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
6、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11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 310米Trans-TokyoBayBridge12钢桥涡振实例日本东京湾桥13篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统拱桥矩形吊杆涡振（日本傍花大桥）14篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(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，
7、超高塔柱15篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 斜拉索风雨振驰振斜拉索风雨振驰振 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。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。16篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(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
8、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！17篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统抖振全桥气弹模型试验湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验18篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(5)Divergence静力失稳机理：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19(6)尾流干扰尾流干扰机理：气流依次流过前后
9、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20篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统尾流干扰实例尾流干扰实例1: 1: 赛车赛车21篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统即使是混凝土桥梁，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全桥气弹模型风洞试验22篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统风荷载与风致响应的分类自然自然风风的分的分
10、量量结结构状构状态态风风荷荷载类载类型型描述描述风风荷荷载载的的无量无量纲纲参数参数结结构响构响应类应类型与特征型与特征平均平均风风（定常流）（定常流）假定假定为为固定状固定状态态平均平均风风力力三分力系数三分力系数静静变变形与静形与静力失力失稳稳涡涡激力激力斯托哈特数斯托哈特数介于介于强强迫振迫振动动与自激振与自激振动动之之间间微振微振动动自激力自激力颤颤振振导导数数颤颤振、振、驰驰振振（自激的可（自激的可能能发发散的振散的振动动）脉脉动动分量分量假定假定结结构固定构固定抖振力抖振力气气动导纳动导纳抖振限幅振抖振限幅振动动（强强迫振迫振动动）23篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少
11、来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统3、桥梁风致振动的基本理论与抗风设计方法24篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统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。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、风荷载与结构风环境、风荷载与结构响应。响应。风致振动是研究的重点和难点风致振动是研究
12、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：高跨比： 苏通桥苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥西堠门桥 3.51/1650=1/47025篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统基本思路：本质上是一个流固耦合问题，简化为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风荷载的确定及其相应的结构效应问题。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。和
13、自激的。基本方法：理论分析，风洞试验，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：条带假定：等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等主要对策主要对策微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）26篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统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，紊流在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流度减少度减少四类场地四类场地：
14、A,B,C,D 按地表粗糙度划分按地表粗糙度划分基本风速基本风速 ：B类，类，10m高，高，10min平均，百年一遇，平均，百年一遇，桥面高度桥面高度Z的的设计风速设计风速 指数指数 对对A,B,C,D四类风场分别为四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30 脉动风特性脉动风特性紊流度，积分尺度，功率谱密度紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范规范p46)27篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统结构动力特性分析结构主要模态的频率和阻尼比对抗风性能影响很大基频估计（规范p15）斜拉桥竖弯扭转，C查表悬索桥中跨简支竖弯阻
15、尼比，规范钢桥0.005可能偏于不安全有限元动力分析一定要用三维有限元模型28篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统三分力三分力风荷载的三个分量（二维理论）（二维理论）阻力，升力和升力矩阻力，升力和升力矩： 是截面上分布压力的合力是截面上分布压力的合力与截面形状有关，与与截面形状有关，与风攻角风攻角有关，与自身振动有关有关，与自身振动有关静力三分力，准定常三分力，非定常三分力静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有有体轴体轴和和风轴风轴两种坐标系两种坐标系风荷载在体轴坐标系下的三分力风荷载在体轴坐标系下的三分力29篮球比赛
16、是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统静力三分力系数及其影响因素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：阻力升力扭矩系数，CH，CV，CM静三分力系数随攻角变化30篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统(1)驰振理论当气流经过一个在垂直气流方向上处于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，攻角与风速都不变的定常流，物体与气物体与气流之间的相对攻角也在不停的随时间变流之间的相对攻角也在不停的随时间变化化。由气动三分力曲线可以看出，相对。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，三攻角的变化必然导致三分力的变化，三分力的这一变化部分形成了动力荷载，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即气动自激力。由于按相对攻角变化
