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風對橋梁結構產生影響的研究與思考論文
摘要:隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展,大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當今橋梁建設中的主流,自20世紀80年代以來,大跨度橋梁建設得到了迅速發(fā)展,但是風對橋梁的作用尤其時風對大跨度橋梁的動力作用是橋梁中不容輕視的重要問題。風對橋梁的受力作用是一個十分復雜的現象,它受到風的特性、結構的動力特性和風與結構的相互作用三個方面的制約。本文主要講述了風對橋梁的靜力作用及動力作用,其中詳細分析了風對橋梁的動力作用。同時,對大跨度橋梁的風致效應估算與評價以及制振對策進行了探討。最后給出了風對橋梁作用的研究中需要進一步探討的幾個問題。
關鍵詞:風工程;橋梁;影響
一、風靜力對橋梁結構的影響
當結構剛度較大因而幾乎不振動,或結構雖有輕微振動但不顯著影響氣流經過橋梁的繞流形態(tài),因而不影響氣流對橋梁的作用力,此時風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(wěn)定性問題。如現行橋梁規(guī)程中所規(guī)定的那樣,主要考慮橋梁在側向風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荷載作用下主梁整體的橫向屈曲,其發(fā)生機制類似于橋梁的側向整體失穩(wěn)問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生的氣動力矩增量超過結構抗力矩時出現的扭轉失穩(wěn)現象。
在考慮風對橋梁的靜穩(wěn)定性影響時,扭轉發(fā)散是橋梁靜穩(wěn)定問題中最典型的一種。用線性理論方法研究橋梁的扭轉發(fā)散時,認為橋梁扭轉發(fā)散臨界風速遠高于橋梁顫振臨界風速;但是隨著橋梁跨度超出1000m以后,非線性效應逐漸增大,日本東京大學和同濟大學在全橋模型風洞試驗中都在顫振發(fā)生前觀察到扭轉發(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問題。
二、風動力對橋梁結構的影響
大跨度橋梁,尤其是對風較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋,除需要考慮靜風荷載的作用之外,更主要考慮風對結構的動力作用。其中對橋梁的動穩(wěn)定性研究尤為重要。顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動穩(wěn)定性問題。
1、顫振
顫振是橋梁結構在氣動力、彈性力和慣性力的耦合作用下產生的一種發(fā)散振動,是在一定的臨界風速下結構振動振幅急劇增加而會導致結構毀壞的一種發(fā)散振動。發(fā)散振動是一種空氣動力失衡現象,它主要是因為結構的運動(振動)影響了氣流經過橋梁時的繞流狀態(tài),因而影響了氣動力,從而產生一種所謂自激力,結構在自激力作用下振幅越來越大最后導致動力失穩(wěn)。由于這種振動一經發(fā)生就會導致結構的整體破壞,因而在抗風設計中,要求發(fā)生顫振的臨界風速大于主梁的設計風速并留有一定的安全余量。
顫振可以分為兩類,一是扭轉顫振,美國塔科馬懸索橋即是因其主梁為流線性型較差的鈍體而發(fā)生這類發(fā)散振動而毀壞的;二是彎扭耦合顫振,常見于流線性較好扁平截面梁情況,其發(fā)生機制類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外形有這密切關系,通常來講,主梁截面的流線性越好,氣動穩(wěn)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行比選或通過風洞試驗對基本截面進行優(yōu)化,以保證結構的抗風安全性。
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,當來流具有一定夾角,截面在垂直于風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速與橋梁自振時的扭轉頻率與豎向彎曲頻率之比有著密切的關系,且扭轉頻率比愈大則臨界風速愈高,而扭轉顫振則主要與橋梁的最低階扭轉頻率有關,臨界風速與之呈正比關系�？傊�,橋梁的抗扭剛度對于保證橋梁的抗風穩(wěn)定性具有重要意義。
2、 抖振
抖振又稱為陣風相應,它主要由大氣中的紊流成份(即脈動風)所激起,是一種隨機強迫振動。雖然是一種限幅振動,但由于發(fā)生抖振的風速低,頻率大,會導致結構局部疲勞,影響行人和車輛行駛的安全性,因此橋梁抗風設計時也要進行抖振相應分析。近年來,隨著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的自激力,以及在大變形下橋梁結構非線性的是與抖振響應分析方法,提高抖振響應分析的可信度。同濟大學對橋梁抖振相應分析方法進行了簡化,給出了實用的計算公式。
對抖振的研究表明:隨著橋梁跨度的增大,結構的柔性增加,抖振也會相應增大;且隨著風速的增大,抖振相應(振幅及結構內力)會成倍增大。因此,對于設計風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,抗風設計中必須對抖振相應進行檢算
三、有待進一步研究的問題
經過國內外學者多年的努力,在橋梁抗風領域取得了一系列研究成果,對于橋梁抗風設計具有重要的參考價值。通過已有研究成果的分析發(fā)現以下兩個方面有待進一步深入研究。
1、橋梁斷面的氣動參數
橋梁斷面的氣動力(力矩)系數,氣動導數和氣動導納是橋梁抗風設計中的重要氣動參數。氣動力(力矩)主要用于橋梁的穩(wěn)定性分析,通過節(jié)段模型可以準確進行測量。
氣動導數主要用于橋梁的顫振分析,通過節(jié)段模型風洞試驗的方法進行測量,氣動導數的測量精度對確定橋梁顫振臨界風速有重要的影響,特別是當橋梁顫振是多振型、多變量耦合的形態(tài)時更是如此。在風洞試驗中用節(jié)段末年高興測量氣動導數時,要求在耦合振動試驗中,模型以純單一模態(tài)運動,但實際上很難做到,因此,如何從風洞試驗技術和數據處理方法這兩方面來提高氣動導數的測量精度是目前研究工作的重點,如何從風洞試驗技術和數據處理方法這兩個方面來提高氣動導數的測量精度是目前研究工作的重點。另外,通過不同橋梁斷面形狀在不同風速和不同湍流度下的系列試驗建立一個氣動導數的計算公式,亦是一個研究內容。
氣動導納主要用于考慮抖振動的非定常效應,在研究大跨度橋梁抖振響應時有很重要的作用。目前,對流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動導納的Sears函數來考慮抖振力的非定常效應,但是,對于復雜的橋梁斷面形狀,這種方法會產生誤差。因此,對氣動導納的研究亦應十分關注。氣動導納的研究工作還有待進一步深入,特別是在湍流場中如何準確建立鈍體的非線性、非定常氣動力學模型。
2、橋梁的拉索振動
橋梁的拉索振動的形式有渦激振動、尾流振動、參數共振和斜索雨振等,其中研究的重點應該是斜索雨振。
下雨時,大跨度斜拉橋的斜索在一定的風速和風向范圍內會引成一條穩(wěn)定的上水路,發(fā)生大幅度的振動,稱為雨振。這種振動會引起相鄰斜索的碰撞,使其保護皮破損;還會使斜索末端禁固件產生疲勞損傷,導致減震器損壞,危及橋梁的安全。我國上海南浦大橋、楊浦大橋和武漢長江二橋建成后相繼觀察到斜索雨振現象。國內為對斜索雨振的機理進行了很多研究,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解釋雨振現象。中國空氣動力研究與發(fā)展中心對斜索雨振現象進行了風洞試驗,通過測量雨振斜索上的脈動壓力分布來研究影響雨振的因素,并將雨振脈動壓力積分得到的非定常氣動力模型引入斜索雨振時的振幅計算。有關斜索雨振的機理還有待進一步研究。
風對結構的作用不僅是靜力問題,對于大跨度柔度橋梁,各類風致振動更是抗風設計時的主要內容。在大跨度橋梁的抗風設計時,除理論分析之外,更主要是通過模型風洞試驗予以確定和評價。最后指出了有關風對橋梁作用的研究中,需要進一步研究橋梁斷面的氣動參數和橋梁拉索振動這兩個問題。
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