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1、橋梁抗風設計、風洞試驗及抗風措施?46?北方交通201l橋梁抗風設計,風洞試驗及抗風措施劉長宏,劉春,宋俊杰(中國華西工程設計建設有限公司大連分公司,大連116000)摘要:橋梁應具有抵抗風作用的能力,特別是大跨度橋梁,其柔性較大,設計時必須考慮顫振,抖振,渦激振動等空氣動力問題,通過抗風設計,風洞試驗,抗風措施來確定橋梁風荷載和抗風性能是大跨度柔性橋梁抗風研究的主要手段.關鍵詞:橋梁;風荷載;顫振;節(jié)段模型;風洞試驗中圖分類號:U442.59文獻標識碼:B文章編號:1673—6052(2011)10—0046—021橋梁抗風設計的目的橋梁
2、抗風設計的目的在于保證結構在施工和運營階段能夠:(1)對于可能出現(xiàn)的最大靜風荷載,橋梁不會發(fā)生強度破壞,變形和靜力失穩(wěn).(2)為了確保橋梁的抗風安全性,橋梁發(fā)生自激發(fā)散振動(如顫振)的臨界風速必須高于橋梁的設計風速,并具備一定的安全儲備,即:臨界風速>安全系數(shù)X設計風速.對于顫振驗算,通常安全系數(shù)取為1.2.(3)對于限幅振動,盡管其振幅有限,但因其發(fā)生的頻率高,可能會引起結構的疲勞損傷或影響結構正常使用,使行人感到不適以及影響施工的Jl~,N進行等,所以也應將橋梁可能發(fā)生的限幅振動的振幅減小到可以接受的程度,即:最大響應≤容許值.2
3、橋梁抗風設計橋梁抗風設計大體可分為結構設計和結構抗風性能檢驗兩個階段.2.1結構設計階段這一階段的工作內(nèi)容包括對橋位處風速資料的收集,風觀測,風的特性參數(shù)選取等.根據(jù)全國基本風壓分布圖,并考慮橋址處的地形地貌情況,橋梁高度和橋跨長度,自然風的特征等因素,確定橋梁的設計風速,設計風荷載和自激振動檢驗風速.設計內(nèi)容是提出抗風設計對結構設計的多項要求,作為確定橋梁結構體系,各構件的材料,形狀,尺寸等的參考.其中最重要的是結構體系的抗風性能設計和結構斷面形狀的氣動選型.2.2結構抗風性能檢驗階段該階段包括靜力抗風性能和動力抗風檢驗兩部分.靜力抗風檢
4、驗包括根據(jù)規(guī)范或通過風洞試驗確定結構斷面的靜力氣動力系數(shù),計算出作用在橋梁各個部分的靜風荷載,進而計算出在靜風荷載作用下的結構內(nèi)力,變形,檢驗結構的靜力穩(wěn)定性.動力抗風檢驗包括橋梁在施工及運營狀態(tài)時的顫振特性,渦激共振特性,抖振特性檢驗.采用風洞試驗或半試驗半理論的方法給出橋梁的顫振臨界風速形態(tài),渦激共振的發(fā)生風速和振幅估計,抖振振幅及其產(chǎn)生的慣性力.對于顫振臨界風速的確定,下面列出VanDerPut的近似公式,以考證臨界風速的影響因素.在橋梁初步設計階段,通?？刹捎孟率焦浪闩R界風速U:r廠■——～1U_【l+(8—0～√.721~)Jb式
5、中:一主梁截面幾何形狀折減系數(shù),對于目前用于懸索橋或斜拉橋的流線型扁平箱梁,該值約為0.7～0.9;對于截面較鈍的混凝土箱梁,該值可低達0.3～0.5;8一橋梁的扭轉(zhuǎn)頻率與豎彎頻率之比;r一主梁截面的慣性半徑;一主梁單位長度質(zhì)量與空氣的質(zhì)量比;(1)一豎彎頻率;b一半橋?qū)?從上式大致可以看出,主梁截面越扁平,流線型越好,臨界風速越高;橋梁的剛度越大,固有頻率越高;主梁越重,臨界風速越高.因此同樣截面的混凝土主梁比鋼主梁對抗風更為有利.3橋梁動力抗風設計的基本方針對于大跨度柔性橋梁,如懸索橋和斜拉橋的抗第10期劉長宏等:橋梁抗風設計,風洞試驗
6、及抗風措施?47?風設計則應特別注意動力抗風設計.橋梁動力抗風設計的基本方針是:(1)提高結構的臨界風速,使之大于設計風速,即不會發(fā)生危險性的發(fā)散型風致振動;(2)減少各種限幅風致振動(渦激共振,抖振等)的振幅,使之控制在可以接受的范圍內(nèi).為了使橋梁在使用期間內(nèi),在預計的強風作用下不損害橋梁的安全性和使用性,首先應掌握架橋地點的強風特性,決定橋梁的設計風速,并據(jù)此推測風對橋梁的作用,校核抗風安全性.如果判斷有可能會發(fā)生上述有害的振動,就應考慮適當?shù)姆乐箤Σ呋蜻M行設計變更.4風洞試驗在確定風引起的橋梁響應時,通常可采用已有的理論分析和風洞模型
7、試驗等方法.但由于橋梁斷面形狀復雜多樣,用純理論分析方法求解作用在橋梁上的空氣力及風致振動響應相當困難.因此,采用風洞模型試驗仍是目前抗風設計最有效和最可靠的手段.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.它是在風洞實驗室模擬大氣邊界層的實際風環(huán)境和實際建筑結構,根據(jù)實驗室中的模型響應考察實際結構響應.對于復雜環(huán)境下,有復雜外形的橋梁結構風效應研究,用其它手段很難進行時,風洞試驗只需對實際條件作適當?shù)暮喕?就可以達到研究目的.風洞試驗是目前采用最普遍,最有效的研究手段.通過精心設計的各種風洞試驗,可以預測實橋的空氣靜力穩(wěn)定性,
8、動力穩(wěn)定性以及是否有影響正常使用的風致振動現(xiàn)象等.所謂風洞(windtunne1),通常指一個可產(chǎn)生氣流的閉合環(huán)形管道.風洞的種類很多,一般可依照不同的用途,由其供試驗用區(qū)域(稱
