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風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的研究與思考論文
摘要:隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,大跨度橋梁(斜拉橋和懸索橋)已成為當(dāng)今橋梁建設(shè)中的主流,自20世紀(jì)80年代以來(lái),大跨度橋梁建設(shè)得到了迅速發(fā)展,但是風(fēng)對(duì)橋梁的作用尤其時(shí)風(fēng)對(duì)大跨度橋梁的動(dòng)力作用是橋梁中不容輕視的重要問(wèn)題。風(fēng)對(duì)橋梁的受力作用是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象,它受到風(fēng)的特性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用三個(gè)方面的制約。本文主要講述了風(fēng)對(duì)橋梁的靜力作用及動(dòng)力作用,其中詳細(xì)分析了風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。同時(shí),對(duì)大跨度橋梁的風(fēng)致效應(yīng)估算與評(píng)價(jià)以及制振對(duì)策進(jìn)行了探討。最后給出了風(fēng)對(duì)橋梁作用的研究中需要進(jìn)一步探討的幾個(gè)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:風(fēng)工程;橋梁;影響
一、風(fēng)靜力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響
當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大因而幾乎不振動(dòng),或結(jié)構(gòu)雖有輕微振動(dòng)但不顯著影響氣流經(jīng)過(guò)橋梁的繞流形態(tài),因而不影響氣流對(duì)橋梁的作用力,此時(shí)風(fēng)對(duì)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題。如現(xiàn)行橋梁規(guī)程中所規(guī)定的那樣,主要考慮橋梁在側(cè)向風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和變形,另外對(duì)于升力較大的情況,也需要考慮豎向升力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。對(duì)于柔性較大的特大跨度橋梁,則還需要考慮側(cè)向風(fēng)荷載作用下主梁整體的橫向屈曲,其發(fā)生機(jī)制類似于橋梁的側(cè)向整體失穩(wěn)問(wèn)題以及在靜力扭轉(zhuǎn)力矩作用下主梁扭轉(zhuǎn)引起的附加轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩增量超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力矩時(shí)出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
在考慮風(fēng)對(duì)橋梁的靜穩(wěn)定性影響時(shí),扭轉(zhuǎn)發(fā)散是橋梁靜穩(wěn)定問(wèn)題中最典型的一種。用線性理論方法研究橋梁的扭轉(zhuǎn)發(fā)散時(shí),認(rèn)為橋梁扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速遠(yuǎn)高于橋梁顫振臨界風(fēng)速;但是隨著橋梁跨度超出1000m以后,非線性效應(yīng)逐漸增大,日本東京大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)在全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)中都在顫振發(fā)生前觀察到扭轉(zhuǎn)發(fā)散現(xiàn)象,這也是在大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意到的一個(gè)問(wèn)題。
二、風(fēng)動(dòng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響
大跨度橋梁,尤其是對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。其中對(duì)橋梁的動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。
1、顫振
顫振是橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振動(dòng)振幅急劇增加而會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(xiàn)象,它主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的運(yùn)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(jié)構(gòu)在自激力作用下振幅越來(lái)越大最后導(dǎo)致動(dòng)力失穩(wěn)。由于這種振動(dòng)一經(jīng)發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞,因而在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中,要求發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速大于主梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速并留有一定的安全余量。
顫振可以分為兩類,一是扭轉(zhuǎn)顫振,美國(guó)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(dòng)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(jī)制類似于機(jī)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,主梁截面的流線性越好,氣動(dòng)穩(wěn)定性越好。因此,在大跨度橋梁的初步設(shè)計(jì)階段,有必要對(duì)主梁截面進(jìn)行比選或通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)基本截面進(jìn)行優(yōu)化,以保證結(jié)構(gòu)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(duì)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(zhuǎn)了欄桿和隔離防欄后,則可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振。同樣,當(dāng)來(lái)流具有一定夾角,截面在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的投影面積增大,因而使主梁鈍化,也有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)頻率與豎向彎曲頻率之比有著密切的關(guān)系,且扭轉(zhuǎn)頻率比愈大則臨界風(fēng)速愈高,而扭轉(zhuǎn)顫振則主要與橋梁的最低階扭轉(zhuǎn)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(duì)于保證橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性具有重要意義。
2、 抖振
抖振又稱為陣風(fēng)相應(yīng),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(jī)強(qiáng)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部疲勞,影響行人和車輛行駛的安全性,因此橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)也要進(jìn)行抖振相應(yīng)分析。近年來(lái),隨著對(duì)抖振機(jī)理的深入認(rèn)識(shí),提出了一種新的抖振響應(yīng)分析方法,在頻域抖振相應(yīng)分析中考慮了任意運(yùn)動(dòng)的自激力,以及在大變形下橋梁結(jié)構(gòu)非線性的是與抖振響應(yīng)分析方法,提高抖振響應(yīng)分析的可信度。同濟(jì)大學(xué)對(duì)橋梁抖振相應(yīng)分析方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,給出了實(shí)用的計(jì)算公式。
對(duì)抖振的研究表明:隨著橋梁跨度的增大,結(jié)構(gòu)的柔性增加,抖振也會(huì)相應(yīng)增大;且隨著風(fēng)速的增大,抖振相應(yīng)(振幅及結(jié)構(gòu)內(nèi)力)會(huì)成倍增大。因此,對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)速較高或跨度較大的各式橋梁,尤其對(duì)大跨度斜拉橋和懸索橋,抗風(fēng)設(shè)計(jì)中必須對(duì)抖振相應(yīng)進(jìn)行檢算
三、有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題
經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)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(duì)于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shù)
橋梁斷面的氣動(dòng)力(力矩)系數(shù),氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)納是橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)。氣動(dòng)力(力矩)主要用于橋梁的穩(wěn)定性分析,通過(guò)節(jié)段模型可以準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。
氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)主要用于橋梁的顫振分析,通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)量,氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)量精度對(duì)確定橋梁顫振臨界風(fēng)速有重要的影響,特別是當(dāng)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(yàn)中用節(jié)段末年高興測(cè)量氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)時(shí),要求在耦合振動(dòng)試驗(yàn)中,模型以純單一模態(tài)運(yùn)動(dòng),但實(shí)際上很難做到,因此,如何從風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法這兩方面來(lái)提高氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)量精度是目前研究工作的重點(diǎn),如何從風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法這兩個(gè)方面來(lái)提高氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)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(yàn)建立一個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的計(jì)算公式,亦是一個(gè)研究?jī)?nèi)容。
氣動(dòng)導(dǎo)納主要用于考慮抖振動(dòng)的非定常效應(yīng),在研究大跨度橋梁抖振響應(yīng)時(shí)有很重要的作用。目前,對(duì)流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動(dòng)導(dǎo)納的Sears函數(shù)來(lái)考慮抖振力的非定常效應(yīng),但是,對(duì)于復(fù)雜的橋梁斷面形狀,這種方法會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納的研究亦應(yīng)十分關(guān)注。氣動(dòng)導(dǎo)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(zhǔn)確建立鈍體的非線性、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(shù)共振和斜索雨振等,其中研究的重點(diǎn)應(yīng)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(nèi)會(huì)引成一條穩(wěn)定的上水路,發(fā)生大幅度的振動(dòng),稱為雨振。這種振動(dòng)會(huì)引起相鄰斜索的碰撞,使其保護(hù)皮破損;還會(huì)使斜索末端禁固件產(chǎn)生疲勞損傷,導(dǎo)致減震器損壞,危及橋梁的安全。我國(guó)上海南浦大橋、楊浦大橋和武漢長(zhǎng)江二橋建成后相繼觀察到斜索雨振現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)為對(duì)斜索雨振的機(jī)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(xiàn)象。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對(duì)斜索雨振現(xiàn)象進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),通過(guò)測(cè)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(jì)算。有關(guān)斜索雨振的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。
風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不僅是靜力問(wèn)題,對(duì)于大跨度柔度橋梁,各類風(fēng)致振動(dòng)更是抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要內(nèi)容。在大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),除理論分析之外,更主要是通過(guò)模型風(fēng)洞試驗(yàn)予以確定和評(píng)價(jià)。最后指出了有關(guān)風(fēng)對(duì)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(shù)和橋梁拉索振動(dòng)這兩個(gè)問(wèn)題。
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