1、橋梁抗風與風洞試驗淺析 橋梁抗風與風洞試驗淺析 摘要：隨著現代大跨橋梁跨徑記錄不斷被刷新，結構隨之趨于輕柔，阻尼減小，風荷載成為很多橋梁設計的控制性因素，所以對于橋梁的抗風研究顯得十分必要。本文將探討介紹風對橋梁的作用、橋梁抗風的研究方法及目前作為橋梁抗風最普遍的研究方法的風洞實驗。 關鍵詞：橋梁 抗風 風洞試驗 引言 現代橋梁在跨度、材料、橋型、結構設計、施工方法等方面都發生了重大進步。進入21世紀以后，科技的進步、新材料的開發和應用等使得橋梁向著長大化，輕柔化開展，使其在風作用下的非線性特性更加突出，從而提出了橋梁抗風研究的精細化問題。 1風對橋梁的作用 靜風荷載 平均風產生的靜力荷載稱作

2、靜風荷載。靜風荷載對大跨徑橋梁的作用一般簡化為風對結構的阻力、升力和升力矩的三分力的共同作用。風對橋梁的作用包括順風向的阻力FD、豎向升力FL和因升力形成的升力矩FM。 以前人們普遍認為大跨橋梁的空氣動力臨界風速一般都低于空氣靜風失穩風速，所以自從開始研究橋梁空氣動力學以來，大跨橋梁抗風研究主要集中于結構動力失穩的問題上。直至1967年日本東京大學的Hirai教授在懸索橋的全橋模型風洞試驗中觀察到了空氣靜力扭轉發散現象，空氣靜力穩定性問題才逐漸提上議程。 風致振動 對于大跨度橋梁而言，當斷面形式接近于流線型時，由于結構剛度小，使得結構振動容易被激發，風作用對于結構表現出的不僅僅是靜力特性，還有

3、動力特性，稱為動風荷載。風的這種動力作用引起橋梁結構的振動，振動起來的橋梁又反回來影響風的流動，改變風對結構的作用，從而形成了風與橋梁的相互作用機制。風對結構的作用受結構振動的影響較小時，風荷載形成一種強迫力，致結構發生有限振幅的強迫振動，包括渦振及抖振；當風對結構的作用力受到結構的振動影響較大時，風荷載受到振動結構的制約，主要表現為一種自激力，可能導致橋梁結構的發散性自激振動，包括顫振和馳振。橋梁風荷載及其效應如表1所示。 2 橋梁風工程的研究方法 橋梁風工程的研究方法主要有三種：理論分析、風洞試驗與現場觀測以及數值模擬。 理論分析方法就是運用空氣動力學原理，建立各類風荷載的數學模型，然后應

4、用結構動力學方法，求解各類風致振動和穩定問題。理論分析方法在建立風工程的根本理論方面起著決定性的作用。橋梁風工程的進一步開展，將有待于根本理論框架的新突破。 風洞試驗是空氣動力學研究的一個十分重要且不可替代的手段。進行橋梁風工程所要求的風洞是邊界層風洞。這種風洞的特點是最高風速一般不超過100m/s。 在實橋上觀察和測量橋梁風致振動的特性和主要參數，也是一種研究手段，在橋梁發生風致災害時進行觀測，研究價值較大。這種計算方法正在迅速開展中，但是要深入了解流體流動所引起的眾多復雜作用，仍然必須進行物理實驗。 3風洞試驗分類 按照自身的特點及用途，橋梁模型有全橋模型和節段模型兩種，因此橋梁風洞試驗可

5、分為全橋氣彈模型試驗與剛體節段模型試驗。 全橋氣彈模型試驗 全橋氣動彈性模型可模擬出實橋的氣動外形，也可對原結構的剛度、質量、阻尼和頻率等一系列動力特性進行模擬，能夠考慮高階振型，非理想模態的參與，氣動反響，振型耦合作用等問題。另外全橋氣動彈性模型試驗要求風洞模擬的來流特性要與自然風的特性相似，因此可較為全面的反響出橋梁在風作用下的實際響應。氣彈模型試驗不需要測量風荷載，可直接測得結構的風致響應，解決了試驗中剛性模型不能模擬出橋梁結構位移和結構與風的相互作用問題，是對橋梁在施工階段，成橋階段等各種不同階段中所具有的氣動性能進行研究的重要手段，但全橋氣動彈性模型必須滿足各種相似條件，導致模型的制

6、作費用非常高。 剛體節段模型試驗 風對橋梁結構的作用近似被認為滿足片條理論，因此橋梁結構的風致振動響應可通過節段模型試驗來研究。 節段模型的模型制作相對容易，試驗費用較為低廉，較容易模擬細部結構，縮尺比大，減小了雷諾數不一致產生的影響，并且可以方便的模擬阻尼。此外，往往主梁截面的氣動性能對風攻角的變化十分的敏感，風攻角的變化能夠通過節段模型試驗準確的控制。 通過橋梁節段模型試驗，可測得橋梁斷面的三分力系數、氣動導數等氣動參數；同時還可以對橋梁結構進行二自由度的顫振臨界風速試驗實測和渦激振動響應。一般在大跨度橋梁結構初步設計階段都要利用節段模型試驗進行氣動選型，對于一般大跨度橋梁也要利用節段模型試驗來檢驗其氣動性能，橋梁節段模型試驗是十分重要的橋梁結構模型試驗，也是最廣泛應用的風洞試驗。 結語 實踐證明，風荷載已成為大跨度橋梁的設計控制荷載，而鈍體空氣動力學理論上的缺憾使得風洞試驗成為橋梁抗風性能研究的主要手段。目前橋梁設計時多把節段模型與氣彈模型試驗結合來考慮，先利用節段模型修改方便，試驗費用低廉的特點，找出氣動特性良好的斷面形式，對全橋結構進行預測；然后再通過全橋氣動彈性模型試驗評價橋梁的氣動彈性穩定性，再用節段模型試驗結果進行校核。 參考文獻： 【1】 陳政清.橋梁風工程M. 北京：人民交通出版社，2005. 【2】 項海