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* 风工程(十) 风工程-10 4 桥梁空气动力学 1940年美国Tacoma悬索桥的风毁事故后，许多世界著名的力学大师如Von Karman，Fr. Bleich等就开始应用航空空气动力学的研究成果和方法来分析事故原因。证明了该桥风毁的原因是桥梁发生了风致颤振。后来的研究证明了大跨度柔性桥梁，同飞机机翼一样存在着颤振、抖振、涡振、驰振等多种振动形式。从此，风对桥梁等结构的动力作用被自觉的加以研究，航空空气动力学的成果与研究方法被应用和改造以适应桥梁等结构的抗风研究，并逐步形成了一门新的学科---桥梁空气动力学 （桥梁风工程）。 Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片 风对桥梁作用 分类 现象 作用机制 静力作用 静风载引起的内力和变形 平均风的静风压产生的阻力、升力和力矩作用 静力不稳定 扭转发散 静（扭转）力矩作用 横向屈曲 静阻力作用 动力作用 抖振 限幅振动 湍流风作用 自激振动 涡振 旋涡脱落引起的涡激力作用 驰振 单自由度 发散振动 自激力的气动负阻尼效应——阻尼驱动 扭转 颤振 耦合 颤振 二自由度 自激力的气动刚度驱动 桥梁风工程研究内容 桥梁风工程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，为新建桥梁的的设计、施工提供解决方案。主要研究大跨度桥梁的气动弹性问题，包括桥梁气动弹性静力问题（扭转发散）和桥梁气动弹性动力问题（颤振和抖振）。为了研究桥梁的气动弹性问题，还必须研究桥梁主梁等构件的定常空气动力特性和非定常空气动力特性。 4.1 桥梁的定常空气动力特性 y x FL FV MZ FD FH o 风 α a 条带假定：假定桥梁足够长而且是平直的，于是任一桥梁断面的风荷载就可以代表其他断面的风荷载。条带假定使我们可以用二维流场理论研究桥梁风荷载问题。 风轴系 体轴系 三分力系数 桥梁主梁断面三分力系数与断面形状、风向以及雷诺数有关。 桥梁主梁的断面主要有板梁、桁梁和箱梁等三种类型(图4-4)。 板梁的气动力特性最差,当H型断面的高宽比增大到一定值时，在零度迎角附近，升力曲线和力矩曲线的斜率都是负值。箱式主梁断面的空气动力特性明显优于板梁特别是带有腹板的箱梁和带有导流板的流线型截面的空气动力特性更佳。 断面形状对桥梁空气动力特性的影响 静力风荷载是大跨度桥梁的控制设计荷载，因此在设计阶段，要求精细预测桥梁各组成部分的风荷载。 三分力系数的测定 测量方法：制作一定缩尺比的节段模型，通过风洞试验测定静三分力系数，然后计算出实桥的静风载。 4.2 扭转发散 Ka a V 令扭转弹簧刚度为Ka ，扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气动力矩为 ： B 扭转发散 临界风速 4.3 颤振 桥梁颤振是一种在一定风速下发生的桥梁动力失稳现象。颤振是由气流和结构相互作用产生的自激力引起的。结构通过气流的反馈作用不断从气流中吸收能量，当该能量大于结构自身阻尼所能消耗的能量时，就会导致结构的发散性自激振动(颤振)，从而对结构产生破坏。 桥梁颤振涉及系统的弹性力、惯性力，阻尼力和自激空气动力的综合作用，是十分复杂的空气动力失稳问题，其重点是对自激力的研究。桥梁颤振研究主要研究颤振失稳机理和颤振临界条件。 单自由度驰振模型 y Fy D B C K V Vr L Fx 临界风速 驰振必要条件 临界风速 总阻尼 气动阻尼 总阻尼C=0 单自由度颤振（扭转颤振） ——以扭转模态为主的颤振，常发生于钝体桥梁断面，如槽型、工字型断面。发生原因与流动分离和旋涡脱落再附有直接关系，随风速增加，气动阻尼由正变负，负气动阻尼超过结构阻尼后,结构将从气流中吸收能量产生颤振。颤振频率接近结构扭转固有频率。 颤振分类 弯扭耦合颤振（经典颤振） ——竖弯模态和扭转模态相互耦合的弯扭耦合颤振，常发于扁平流线型桥梁断面。发生原因是由于气流影响了不同自由度运动之间的振幅比及相位的关系，使结构从气流中吸收能量。当吸收的能量超过结构阻尼耗散的能量时，结构便出现发散颤振。 1 Scanlan桥梁颤振导数理论 运动状态： 在平衡状态（0，0，0，0）台劳展开： Scanlan公式： 颤振导数就是气动自激力对状态向量的一阶偏导数，只要测定了颤振导数，就可依据它计算同一形状断面在任意运动状态中的气动自激力。 风攻角的影响由颤振导数体现，即同一断面在不同攻角下的颤振导数是不同的。 均与速度有关，具有气动阻尼的性质； 均与变位有关，具有气动刚度的意义。 颤振导数识别方法 节段模型实验装置 模型作单一竖向运动时,运动方程为: 设风速U下记录的模型运动位移时程为: