第六講橋梁抗風基礎福州大學土木工程學院22023/2/5主要內容風害VS震害橋梁史話及歷史橋梁風毀風工程基本術語近地風特性風對結構的作用32023/2/5什么是風？風是一種自然現象：是由于太陽對地球大氣的加熱不均勻而引起的。由于地球表面的地形起伏和各種障礙物的影響，使靠近地面風的流動發生紊亂，造成風在速度、方向及其空間分布上都是非定常的（即隨時間變化的）和隨機的。

風的分類：季風，颶風（臺風、氣旋），溫帶氣旋，局部風。42023/2/5風的分級氣象學上將風的強弱按10min時距的平均風速的大小分成13個等級。右表為常用的蒲氏風級表（由英國人F.Beaufort于1805年擬定）。52023/2/5季風季節性的風冬季形成大陸高壓夏季形成大陸低壓亞洲受季風影響非常強烈62023/2/5臺風強烈的熱帶氣旋，在北半球熱帶氣旋中的氣流繞中心呈逆時針方向旋轉，愈靠近熱帶氣旋中心，氣壓愈低，風力愈大，其中心卻是一片風平浪靜的晴空區，即臺風眼。當熱帶氣旋中心附近最大風力小于8級時稱為熱帶低壓，8和9級風力的稱為熱帶風暴，10和11級風力的為強熱帶風暴，只有中心附近最大風力達到12級的熱帶氣旋才稱為臺風。形成于高溫、高濕和其它氣象條件適宜的熱帶洋面。據統計，除南大西洋外，全球的熱帶海洋上都有熱帶氣旋生成。72023/2/5臺風82023/2/5溫帶氣旋由大尺度氣流受山脈阻擋或沿鋒面兩側的氣團之間的相互作用而產生發生于中緯度地區移動速度一般夏季約為20km/h，冬季約為50km/h。伴隨有強雷暴和龍卷風92023/2/5局部風焚風：空氣越過山頂后被迫下沉，絕熱壓縮使空氣溫度升高形成，典型見美國洛磯山脈布拉風：寒冷區域無法形成焚風，勢能轉化為動能，形成強烈陣風，典型見亞得里亞海東北岸急流效應風：因地形分布導致流線輻合，風速增強，典型見法國南部羅納谷地雷暴：暖濕氣流上升過程中大規模降雨，使冷氣流下沉，在地面以壁急流形式形成擴散而成龍卷風：在強雷暴中形成，所有風中最強的風102023/2/5局部風——焚風

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米特點：熱、干燥112023/2/5局部風——布拉風

DewPoint-0.50C每100米-10C每100米＋10C每100米在某些情況下，空氣下降時加熱不夠，則形成布拉風。特點：冷、干燥122023/2/5局部風——龍卷風

龍卷風產生過程：大氣的不穩定性產生強烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流的影響，它被進一步加強。132023/2/5局部風——龍卷風

龍卷風產生過程：

由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉，形成中尺度氣旋。142023/2/5局部風——龍卷風

152023/2/5局部風——龍卷風

龍卷風產生過程：隨著中尺度氣旋向地面發展和向上伸展，它本身變細并增強。同時，一個小面積的增強輔合，即初生的龍卷在氣旋內部形成，產生氣旋的同樣過程，形成龍卷核心。162023/2/5龍卷風產生過程：

龍卷核心中的旋轉與氣旋中的不同，它的強度足以使龍卷一直伸展到地面。當發展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風速急劇上升，形成龍卷。局部風——龍卷風172023/2/5局部風——龍卷風的等級

182023/2/5風害VS震害熱帶氣旋災害是最嚴重的自然災害，因其發生頻率遠高于地震災害，故其累積損失也高于地震災害我國是世界上受熱帶氣旋危害最甚的國家之一1991年4月底在孟加拉國登陸的熱帶氣旋曾經奪去了13.9萬人的生命臺風給我國造成的經濟損失，上世紀80年代為數十億元，90年代為100億元，去年（2005）已經發展到750億元福州大學結構工程研究所陳曉冬192023/2/5大跨度橋梁抗風研究發展簡述地震影響的主要是中小橋梁，而風荷載則是大跨度橋梁設計的首要考慮因素1759年Smeaton等就提出構造物設計時要考慮風壓問題，開始有了風荷載的概念，但當時對風壓的認識是不夠的1879年，英國的Tay橋受到暴風雨的襲擊，85跨桁架中的13跨連同正行駛于其上的列車一起墮入河中的特大事故1887年重建Tay橋時，由Baker等經現場實驗，確定了風壓的大小是，此后相當長時間內，人們把風對結構的作用仍只看成是由風壓產成的靜力作用202023/2/5TayBridge風毀事故當時最長的鐵路橋梁，總長3公里，由84跨鑄鐵桁架組成212023/2/5由于風而受到損害，早在Tay橋被風毀之前就多次發生。據記載，在1818年至1940年間，至少有11座懸索橋毀于暴風。從目擊者所描述的風毀景像中可以明顯感到事故的原因是風引起的強烈振動。只是人們對這種風致振動機理還不可能作出科學的解釋，對其危害性認識還不夠。1940年，美國西海岸華盛頓州建成了中央路徑為853m，居當時世界第三位的塔科馬懸索橋（TacomaBridge），其設計風速為60m/s。然而四個月后，卻在19m/s的風速襲擊下，產生強烈扭曲振動而遭破壞。這次事故再次震驚了橋梁工程界，經過廣泛深入研究，提出了橋梁的風致振動問題。222023/2/5塔科馬橋毀的討論該橋在設計時吸取了Tay橋事故的經驗，其抗風壓的設計對于60m/s的風速都是安全的。然而對風致振動卻幾乎未加考慮。根據當時的技術條件，采用了鋼板梁，并且選用了從空氣動力學角度來看屬于不穩定的H型斷面。因此，1940年剛剛建成通車后，每通稍強的風就顯示出有風振的趨勢，但在頭4個月內，這些振動僅是豎向的，而且在振幅達到大約1.5m后振動就衰減下來。運營幾個月之后，隨著跨中防止加勁梁和主索間相互位移的幾根穩定索的斷裂，振型突然改變，主橋在跨中作反對稱扭曲運動，在跨度l／4點出現從至的傾斜。發生了扭曲振動約l小時之后，隨著吊桿在索套處的疲勞斷裂，約300m長的加勁梁墜入水中。232023/2/5TacomaNarrowBridge的風毀242023/2/5風毀事件列表DryburghAbbeyBridge,Scotland1818suspensionbridge,severewinddamageUnionBridge,England1821suspension,severewinddamageThomasTelford'sMenaiStraitBridge,Wales1826suspensionbridge,blowndowninhurricanein1839,celebratedwroughtironNassauBridge,Germany1834suspensionbridge,winddamageMontroseBridge,Scotland1838suspension,severewinddamageBritanniaBridge,MenaiStrait,WalesTtubular,ironbridge1839suspension,severewinddamageRoche-BernardBridge,France1852suspension,severewinddamageTNiagara-LewistonBridge,USA-Canada1864suspension,severewinddamageWheelingBridge,USA1864suspension,severewinddamageTayBridge,Scotland1879Trussbridge,unstableinwindBrooklynBridge,NewYork1883successfulbridgedesignNiagara-CliftonBridge,USA-Canada1889suspension,severewinddamageFykesesundBridge,Norway1937Modernbridgeoscillatedinwind,stiffenedbyrolledI-beamGoldenGateBridge,USA1937oscillatedinwind,stiffenedbytrussThousandIslandsBridge,USACanada1938oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-WhitestoneBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderBronx-Whitestone,NewYork1939sisterdesigntotheTacomaNarrowsbridge,stiffenedbyplategirderin1943duetowindoscillationproblemsDeerIsleBridge,USA1939oscillatedinwind,stiffenedbyplategirderTacomaNarrowsBridge,WashingtonState1940Suspensionbridge,aerodynamicinstability252023/2/520世紀的后50年間，雖然沒有發生象塔科馬橋那樣的風毀事故，但是簡易人行吊橋的風毀（日本，1963年），架設中的桁架橋的風毀（日本木曾川橋，1962年），施工中獨立橋塔因風振而產生的塔柱接頭部位的損傷（1964年建成的英國福斯橋），下承式拱橋及郎格爾桁架的吊桿因渦激共振產生的疲勞損傷，斜拉橋的纜索振動等，卻時有報道。因此橋梁的風害至今仍然是橋梁工程師們十分關注的問題。262023/2/5

我國是受臺風襲擊較嚴重的國家。近些年來，隨著大跨度橋梁的建設，橋梁的風害也時有出現。例如廣東南海九江公路斜拉橋施工中吊機被大風吹倒，砸壞主梁，江西九江長江公路鐵路兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振，上海楊浦斜拉橋纜索的渦振和雨振使索套損壞等。由于我國大跨度橋梁建設的飛速發展，橋梁的風害問題必須引起橋梁工程師的足夠重視。272023/2/5風工程基本術語基本風速basicwindspeed：開闊平坦地貌條件下，地面以上10m高度處，100年重現期的10min平均年最大風速設計基準風速designstandardwindspeed：在基本風速基礎上，考慮局部地表粗糙度影響，橋梁結構或結構構件基準高度處100年重現期的10min平均年最大風速風攻角windattackangle：風的主流方向與水平面產生的夾角282023/2/5風工程基本術語陣風系數gustfactor：反映時距為1~3s的瞬時風速與10min平均風速的關系系數靜陣風系數staticgustfactor：考慮地表粗糙度、風荷載加載長度和結構構件離地高度等因素的陣風系數陣風荷載gustload：基于陣風風速的風荷載地表粗糙度terrainroughness：反映大氣邊界層中地表起伏或地物高矮稀密的程度292023/2/5風工程基本術語空氣靜力系數aerostaticfactor：表征在風的靜氣動力作用下，結構斷面受力大小的無量綱系數。靜力扭轉發散aerostatictorsionaldivergence：在風的靜力扭轉力矩作用下，當風速達到臨界值時，橋梁主梁扭轉變形的附加攻角所產生的空氣力矩增量超過了結構抵抗力矩的增量，而出現扭轉角不斷增大的失穩現象。靜力橫向屈曲aerostaticlateralbuckling：橫向靜風荷載值超過橋梁主梁橫向屈曲臨界荷載值時出現的失穩現象。顫振flutter：振動的橋梁通過氣流的反饋作用不斷吸取能量，振幅逐步增大直至使結構破壞的發散性自激振動。302023/2/5風工程基本術語馳振glloping：振動的橋梁從氣流量不斷吸取能量，使非扁平截面的細長鈍體結構的振幅逐步增大的發散性彎曲自激振動。渦激共振vortexresonance：氣流繞經鈍體結構時產生旋渦脫落，當旋渦脫落頻率與結構的自振頻率接近或相等時，由渦激力所激發出的結構共振現象。抖振buffeting：風的紊流成分所激發的結構隨機振動，也稱為紊流風響應。顫振檢驗風速fluttercheckingwindspeed：檢驗橋梁避免發生顫振的風速。312023/2/5風工程基本術語靜力三分力aerostaticforce：氣流繞過橋梁結構所產生的靜力作用力的三個分量，即阻力、升力和扭轉力矩。節段模型試驗sectionalmodeltesting：將橋梁結構構件的代表性節段做成剛性的模型，在風洞中測定其靜力三分力或非定常氣動力作用的試驗。全橋氣動彈性模型試驗fullaeroelasticmodeltesting：將橋梁結構按一定幾何縮尺并滿足各種必要的空氣動力學相似條件制成的彈性三維空間模型，在風洞中觀測其在均勻流及紊流風場中各種風致效應的試驗。322023/2/5風工程基本術語風振控制wind-inducedvibrationcontrol：為避免出現發散性風致振動或過大的限幅振動所采取的氣動措施、結構措施或機械措施。調質阻尼器tunedmassdamper：由質量塊、彈簧和阻尼元件組成的動力減振裝置。332023/2/5地球大氣層大氣層（atmosphere）:地球表面薄層空氣，厚度1000km（1/12地球直徑）對流層（troposphere）:大氣層底部1%厚度，厚度10,000m（飛行高度，最高山峰）大氣邊界層（ABL）：對流層底部10%，厚度<1000m（梯度風高度，建筑物高度）地表層（surfacelayer）:大氣邊界層底部10%，厚度100m左右（風速劇烈變化）粗糙層（roughnesslayer）:地表層底部10%，厚度10m左右（地表粗糙元）342023/2/5粗糙元粗糙層表面層對流層邊界層距離地表高度（米）0104103101021地球表面在邊界層內，風速隨著高度增加而增加；紊流和陣風特性也隨著高度不斷變化；邊界層風場中風具有寬頻特性；在不同高度紊流風具有相似的陣風和頻率特性。大氣層及其空間垂直分布示意圖352023/2/5自然風記錄風速是脈動的，不是平穩的8分鐘內的平均風速變化不大平均風速隨高度增大脈動分量與平均風相比較小362023/2/5自然風譜特性脈動風能量分布特點：主峰：年，4天，1天，1分鐘等，低谷：10~60分鐘低頻能量分布特點：周期：4~5天，相當于實際大氣系統移動周期高頻能量分布特點：周期：1分鐘高頻譜峰能量取決于平均風速372023/2/5平均風空間特性風剖面—離地高度特性（1）指數律模型（PowerProfile）相同場地：不同場地：

----梯度風高度（m）；-----常指數值（2）對數律模型（LogarithmicProfile）基本公式：相同場地：

---粗糙高度(m)；---地表剪切風速

---Karman常數，382023/2/5風剖面（續）（3）復合體模型（ComplexProfile）場地類別

類別IIIIIIIV冪指數0.120.160.220.30粗糙度(m)0.010.050.301.00梯度風高度(m)500600700700392023/2/5地表粗糙度類別《建筑結構荷載規范》

A類：至近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠。B類：指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮和大城市郊區。C類：指有密集建筑群的大城市市區。

地表粗糙度類別《公路橋梁抗風設計規范》

I海面、海岸、開闊水面II田野、鄉村、叢林及低層建筑物稀少地區III樹木及低層建筑物等密集地區中高層建筑物稀少地區平緩的丘陵地IV中高層建筑物密集地區起伏較大的丘陵地402023/2/5平均風的空間特性7006005004003002001000場地類別I場地類別II場地類別III場地類別IV高度(m)412023/2/5Z0＝0.01m的場地422023/2/5Z0＝0.05m的場地432023/2/5Z0＝0.3m的場地442023/2/5非標準條件下風速的計算非標準高度和非標準地貌情況即，同時推算到梯度高度，再反推到實際高度非標準時距情況452023/2/5由于受到大氣壓差的氣壓梯度力、地球自轉引起的偏轉力與地球表面之間的摩擦力等作用，風的速度和方向是隨時間和地點不斷變化的。根據大量風的實測資料，在風的順風向時程曲線中，包含兩種成份：一種是長周期部份，其值常在10分鐘以上；另一種是短周期部份，常只有幾秒左右（見下圖）。根據上述兩種成份，實用上常把風分為平均風（即穩定風）和脈動風（常稱陣風脈動）來加以分析。風對結構的作用462023/2/5風對結構的作用是復雜的氣動力學問題。由于自然風中的紊流成分的不同特征，以及橋梁的結構型式和斷面形狀的不同，風對橋梁的作用也表現出多種不同的形式。概括起來，風對橋梁的作用可分為靜力的和動力的兩類，如下表所示。風對結構的作用472023/2/5由于平均風的風速在一定時間長度（稱作時距）內不隨時間變化，而且其周期遠大于橋梁結構的自振周期，因此，平均風對結構的作用是靜力作用。由平均風的靜風壓對結構產生的阻力、升力和力矩作用，可能引起橋梁的強度、變形破壞和靜力失穩。橋梁結構的靜力失穩可以有兩種形式：一種是以主梁的扭轉變形形式出現的失穩，叫做扭轉發散；一種是以主梁的橫向彎曲形式出現的失穩，叫做橫向屈曲。脈動風是由于風的不規則性引起的，脈動風的風速圍繞平均風速隨時間隨機變化。由于脈動風的周期較短，它對結構的作用是動力作用。風對結構的動力作用效應，即結構的風致振動現象是多種多樣的，但總的可以分為兩大類：抖振和自激振動。風對結構的作用482023/2/5抖振是指風速中無規律隨機變化的脈動成分（脈動風）激勵起橋梁不規則的有限振幅振動的現象。它也會使結構產生疲勞，還可能使結構產生較大的慣性力而使結構的內力增大。自激振動現象包括顫振、馳振和渦激共振。在風引起的自激振動現象中，最危險的是導致動力失穩的自激型發散振動——顫振和馳振。所謂自激發散振動就是橋梁在風力作用下被激起振動后，在一定的振動頻率和相位下，它可以不斷地從風力作用中獲得能量補充，以抵消橋梁結構