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风对桥梁的作用 《风工程概论》课程论文 姓 名： 解 洋 学 号： 120140409 专业方向： 桥 梁 导师姓名： 向 敏 风对桥梁的作用 解 洋 (石家庄铁道大学，050043) 摘要：随着交通运输业的发展，大跨度桥梁已成为当今桥梁建设中的主流，自20世纪80年代以来，大跨度桥梁建设得到了迅速发展，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。经调查发现，自1818年起至少已有11座悬索桥遭到风毁。其中一个典型的事故是1940年塔科马悬索桥在19m/s的8级大风下因扭转而发散振动而坍塌。塔科马悬索桥的事故引起了桥梁的震惊，也促进了风对桥梁作用的研究。本文主要讲述了风对桥梁的静力作用及动力作用，给出了风对桥梁作用的研究中需要进一步探讨的几个问题，并且提出减小风对桥梁结构的振动灾害的相关措施。 ①上游临近结构物尾流引起的抖振；②结构物后本身紊流引起的抖振；③大气紊流引发的抖振。实际上，桥梁结构中最为常见的是大气紊流成分引起的抖振。虽然是一种限幅振动，但由于发生抖振的风速低，频率大，会导致结构局部疲劳，影响行人和车辆行驶安全性，因此桥梁抗风设计时也要进行抖振相应分析。近年来，随着对抖振机理的深入认识，提出了一种新的抖振响应分析方法，在频域抖振相应分析中考虑了任意运动的自激力，以及在大变形下桥梁结构非线性的是与抖振响应分析方法，提高抖振响应分析的可信度。 对抖振的研究表明：随着桥梁跨度的增大，结构的柔性增加，抖振也会相应增大；且随着风速的增大，抖振相应（振幅及结构内力）会成倍增大。因此，对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁，尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥，抗风设计中必须对抖振相应进行检算。抖振分析业已成为桥梁抗风设计中相当重要的环节。桥梁抖振分析目前主要有三种方法，即基于Sear和Liepmann的机翼抖振理论的Davenport理论，考虑自激力影响Scanlan颤抖振理论以及建立在随机稳定理论基础上的Y. K. Lin随机抖振理论。 2.3涡振 风流经过各种断面形状的钝体结构时，在其断面背后都有可能发生漩涡的交替脱落，产生交替变化的涡激力而引起的结构振动称为涡激振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较风速区内的有限振幅振动。通常情况下，涡激振动的振幅很小，但当漩涡脱落频率与结构的固有频率相接近时，流体与结构间产生强烈的相互作用引起涡激共振。对涡激振动响应的分析，通常采用升力振子模型，经验线性模型和经验非线性模型等来研究。 2.4驰振 驰振是一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动，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。根据来流不同，驰振一般可分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线的负斜率所引起的发散性自激振动。这种负斜率使得振动过程中的结构位移始终与空气力的方向一致，从而源源不断地吸收能量，造成类似颤振的不稳定振动。横流驰振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体系桥梁结构中的拉锁和吊杆最有可能发生横流驰振。当后一结构处于前一结构的尾流中时，后一结构由于受到前一结构波动尾流的激发而引起的振动称为尾流驰振。尾流驰振可以发生在包括流线型截面在内的任意形式截面结构中。与横流驰振相比，尾流驰振研究成果较少，一般采用Simpson尾流驰振分析方法。 3 需要进一步研究的问题 经过国内外学者多年的努力，在桥梁抗风领域取得了一系列研究成果，对于桥梁抗风设计具有重要的参考价值。通过已有研究成果的分析发现以下两个方面有待进一步深入研究。 1、桥梁断面的气动参数 桥梁断面的气动力系数，气动导数和气动导纳是桥梁抗风设计中重要气动参数。气动力主要用于桥梁的稳定性分析，通过节段模型可以准确进行测量。 气动导数主要用于桥梁的颤振分析，通过节段模型风洞试验的方法进行测量，气动导数的测量精度对确定桥梁颤振临界风速有重要的影响，特别是当桥梁颤振是多振型、多变量耦合的形态时更是如此。在风洞试验中用节段模型测量气动导数时，要求在耦合振动试验中，模型以纯单一模态运动，但实际上很难做到，因此如何从风洞试验技术和数据处理方法这两方面来提高气动导数的测量精度是目前研究工作的重点。另外，通过不同桥梁断面形状在不同风速和不同湍流度下的系列试验建立一个气动导数的计算公式，亦是一个研究内容。 气动导纳主要用于考虑抖振的非正常效应，在研究大跨度桥梁抖振响应时有很重要的作用。目前，对流线型的桥梁断面可采用平板或翼型气动导纳的Sears函数来考虑抖振力的非定常效应，但是对于复杂的桥梁断面形状，这种方法会产生误差。因此，对气动导纳的研究应十分关注。气动导纳的研究工作还有待进一步深入，特别是在湍流场中如何准确建立钝体