一、風(fēng)靜力對橋梁結構的影響

　　當結構剛度較大因而幾乎不振動(dòng),或結構雖有輕微振動(dòng)但不顯著(zhù)影響氣流經(jīng)過(guò)橋梁的繞流形態(tài),因而不影響氣流對橋梁的作用力,此時(shí)風(fēng)對橋梁的作用可以近似看作為一種靜力荷載。橋梁載靜力荷載作用下有可能發(fā)生強度、剛度和穩定性問(wèn)題。如現行橋梁規程中所規定的那樣,主要考慮橋梁在側向風(fēng)荷載作用下的應力和變形,另外對于升力較大的情況,也需要考慮豎向升力對結構的作用。對于柔性較大的特大跨度橋梁,則還需要考慮側向風(fēng)荷載作用下主梁整體的橫向屈曲,其發(fā)生機制類(lèi)似于橋梁的側向整體失穩問(wèn)題以及在靜力扭轉力矩作用下主梁扭轉引起的附加轉角所產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩增量超過(guò)結構抗力矩時(shí)出現的扭轉失穩現象。

　　在考慮風(fēng)對橋梁的靜穩定性影響時(shí),扭轉發(fā)散是橋梁靜穩定問(wèn)題中最典型的一種。用線(xiàn)性理論方法研究橋梁的扭轉發(fā)散時(shí),認為橋梁扭轉發(fā)散臨界風(fēng)速遠高于橋梁顫振臨界風(fēng)速;但是隨著(zhù)橋梁跨度超出1000m以后,非線(xiàn)性效應逐漸增大,日本東京大學(xué)和同濟大學(xué)在全橋模型風(fēng)洞試驗中都在顫振發(fā)生前觀(guān)察到扭轉發(fā)散現象,這也是在大跨度橋梁的設計中應該注意到的一個(gè)問(wèn)題。

　　二、風(fēng)動(dòng)力對橋梁結構的影響

　　大跨度橋梁,尤其是對風(fēng)較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋,除需要考慮靜風(fēng)荷載的作用之外,更主要考慮風(fēng)對結構的動(dòng)力作用。其中對橋梁的動(dòng)穩定性研究尤為重要。顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動(dòng)穩定性問(wèn)題。

　　1、顫振

　　顫振是橋梁結構在氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的耦合作用下產(chǎn)生的一種發(fā)散振動(dòng),是在一定的臨界風(fēng)速下結構振動(dòng)振幅急劇增加而會(huì )導致結構毀壞的一種發(fā)散振動(dòng)。發(fā)散振動(dòng)是一種空氣動(dòng)力失衡現象,它主要是因為結構的運動(dòng)(振動(dòng))影響了氣流經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)的繞流狀態(tài),因而影響了氣動(dòng)力,從而產(chǎn)生一種所謂自激力,結構在自激力作用下振幅越來(lái)越大最后導致動(dòng)力失穩。由于這種振動(dòng)一經(jīng)發(fā)生就會(huì )導致結構的整體破壞,因而在抗風(fēng)設計中,要求發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速大于主梁的設計風(fēng)速并留有一定的安全余量。

　　顫振可以分為兩類(lèi),一是扭轉顫振,美國塔科馬懸索橋即是因其主梁為流線(xiàn)性型較差的鈍體而發(fā)生這類(lèi)發(fā)散振動(dòng)而毀壞的;二是彎扭耦合顫振,常見(jiàn)于流線(xiàn)性較好扁平截面梁情況,其發(fā)生機制類(lèi)似于機翼的古典顫振。

　　橋梁發(fā)生何種顫振與主梁截面的氣動(dòng)外形有這密切關(guān)系,通常來(lái)講,主梁截面的流線(xiàn)性越好,氣動(dòng)穩定性越好。因此,在大跨度橋梁的初步設計階段,有必要對主梁截面進(jìn)行比選或通過(guò)風(fēng)洞試驗對基本截面進(jìn)行優(yōu)化,以保證結構的抗風(fēng)安全性。

　　值得指出的是,同一主梁截面在施工狀態(tài)和成橋狀態(tài),在來(lái)流的不同情況下所發(fā)生的顫振形態(tài)也有所不同。對于扁平截面箱梁,施工階段在水平來(lái)流條件下繞流較為平順,通常發(fā)生的是彎扭耦合顫振,但在成橋狀態(tài)安轉了欄桿和隔離防欄后,則可能發(fā)生扭轉顫振。同樣,當來(lái)流具有一定夾角,截面在垂直于風(fēng)向平面內的投影面積增大,因而使主梁鈍化,也有可能發(fā)生扭轉顫振。

　　橋梁彎扭耦合顫振的臨界風(fēng)速與橋梁自振時(shí)的扭轉頻率與豎向彎曲頻率之比有著(zhù)密切的關(guān)系,且扭轉頻率比愈大則臨界風(fēng)速愈高,而扭轉顫振則主要與橋梁的最低階扭轉頻率有關(guān),臨界風(fēng)速與之呈正比關(guān)系�？傊�,橋梁的抗扭剛度對于保證橋梁的抗風(fēng)穩定性具有重要意義。

　　2、 抖振

　　抖振又稱(chēng)為陣風(fēng)相應,它主要由大氣中的紊流成份(即脈動(dòng)風(fēng))所激起,是一種隨機強迫振動(dòng)。雖然是一種限幅振動(dòng),但由于發(fā)生抖振的風(fēng)速低,頻率大,會(huì )導致結構局部疲勞,影響行人和車(chē)輛行駛的安全性,因此橋梁抗風(fēng)設計時(shí)也要進(jìn)行抖振相應分析。近年來(lái),隨著(zhù)對抖振機理的深入認識,提出了一種新的抖振響應分析方法,在頻域抖振相應分析中考慮了任意運動(dòng)的自激力,以及在大變形下橋梁結構非線(xiàn)性的是與抖振響應分析方法,提高抖振響應分析的可信度。同濟大學(xué)對橋梁抖振相應分析方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,給出了實(shí)用的計算公式。

　　對抖振的研究表明:隨著(zhù)橋梁跨度的增大,結構的柔性增加,抖振也會(huì )相應增大;且隨著(zhù)風(fēng)速的增大,抖振相應(振幅及結構內力)會(huì )成倍增大。因此,對于設計風(fēng)速較高或跨度較大的各式橋梁,尤其對大跨度斜拉橋和懸索橋,抗風(fēng)設計中必須對抖振相應進(jìn)行檢算。

　　三、有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題

　　經(jīng)過(guò)國內外學(xué)者多年的努力,在橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域取得了一系列研究成果,對于橋梁抗風(fēng)設計具有重要的參考價(jià)值。通過(guò)已有研究成果的分析發(fā)現以下兩個(gè)方面有待進(jìn)一步深入研究。

　　1、橋梁斷面的氣動(dòng)參數

　　橋梁斷面的氣動(dòng)力(力矩)系數,氣動(dòng)導數和氣動(dòng)導納是橋梁抗風(fēng)設計中的重要氣動(dòng)參數。氣動(dòng)力(力矩)主要用于橋梁的穩定性分析,通過(guò)節段模型可以準確進(jìn)行測量。

　　氣動(dòng)導數主要用于橋梁的顫振分析,通過(guò)節段模型風(fēng)洞試驗的方法進(jìn)行測量,氣動(dòng)導數的測量精度對確定橋梁顫振臨界風(fēng)速有重要的影響,特別是當橋梁顫振是多振型、多變量耦合的形態(tài)時(shí)更是如此。在風(fēng)洞試驗中用節段末年高興測量氣動(dòng)導數時(shí),要求在耦合振動(dòng)試驗中,模型以純單一模態(tài)運動(dòng),但實(shí)際上很難做到,因此,如何從風(fēng)洞試驗技術(shù)和數據處理方法這兩方面來(lái)提高氣動(dòng)導數的測量精度是目前研究工作的重點(diǎn),如何從風(fēng)洞試驗技術(shù)和數據處理方法這兩個(gè)方面來(lái)提高氣動(dòng)導數的測量精度是目前研究工作的重點(diǎn)。另外,通過(guò)不同橋梁斷面形狀在不同風(fēng)速和不同湍流度下的系列試驗建立一個(gè)氣動(dòng)導數的計算公式,亦是一個(gè)研究?jì)热荨?

　　氣動(dòng)導納主要用于考慮抖振動(dòng)的非定常效應,在研究大跨度橋梁抖振響應時(shí)有很重要的作用。目前,對流線(xiàn)性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動(dòng)導納的Sears函數來(lái)考慮抖振力的非定常效應,但是,對于復雜的橋梁斷面形狀,這種方法會(huì )產(chǎn)生誤差。因此,對氣動(dòng)導納的研究亦應十分關(guān)注。氣動(dòng)導納的研究工作還有待進(jìn)一步深入,特別是在湍流場(chǎng)中如何準確建立鈍體的非線(xiàn)性、非定常氣動(dòng)力學(xué)模型。

　　2、橋梁的拉索振動(dòng)

　　橋梁的拉索振動(dòng)的形式有渦激振動(dòng)、尾流振動(dòng)、參數共振和斜索雨振等,其中研究的重點(diǎn)應該是斜索雨振。

　　下雨時(shí),大跨度斜拉橋的斜索在一定的風(fēng)速和風(fēng)向范圍內會(huì )引成一條穩定的上水路,發(fā)生大幅度的振動(dòng),稱(chēng)為雨振。這種振動(dòng)會(huì )引起相鄰斜索的碰撞,使其保護皮破損;還會(huì )使斜索末端禁固件產(chǎn)生疲勞損傷,導致減震器損壞,危及橋梁的安全。我國上海南浦大橋、楊浦大橋和武漢長(cháng)江二橋建成后相繼觀(guān)察到斜索雨振現象。國內為對斜索雨振的機理進(jìn)行了很多研究,除了用馳振理論解釋外,還有用二次流理論和能量輸入理論來(lái)解釋雨振現象。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對斜索雨振現象進(jìn)行了風(fēng)洞試驗,通過(guò)測量雨振斜索上的脈動(dòng)壓力分布來(lái)研究影響雨振的因素,并將雨振脈動(dòng)壓力積分得到的非定常氣動(dòng)力模型引入斜索雨振時(shí)的振幅計算。有關(guān)斜索雨振的機理還有待進(jìn)一步研究。

　　風(fēng)對結構的作用不僅是靜力問(wèn)題,對于大跨度柔度橋梁,各類(lèi)風(fēng)致振動(dòng)更是抗風(fēng)設計時(shí)的主要內容。在大跨度橋梁的抗風(fēng)設計時(shí),除理論分析之外,更主要是通過(guò)模型風(fēng)洞試驗予以確定和評價(jià)。最后指出了有關(guān)風(fēng)對橋梁作用的研究中,需要進(jìn)一步研究橋梁斷面的氣動(dòng)參數和橋梁拉索振動(dòng)這兩個(gè)問(wèn)題。