风对桥梁的影响(风对大桥的影响)
简述风对桥梁的作用
最近,妖风肆虐,无论是中国的南方,还是美国的德州,都不同程度地遭受了台风和飓风的破坏。
飓风“哈维”侵袭德州沿海地区,强风暴雨将路上车辆吹倒(图/美联社)
台风“天鸽”横扫云南,云南多地被淹
台风和飓风不仅对生命和财产构成威胁,同时对交通基础设施造成了毁灭性的破坏,道路被淹,桥梁被摧毁……
台风“莫兰蒂”来袭水位暴涨,871年廊桥被冲垮
因风的作用而使桥梁遭到破坏的事故时有发生。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象,它同时受到风的自然特性、桥梁的动力性能以及风与桥梁相互作用这三个方面的制约。
风的静力作用风的静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应。我们可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。它们通常被称为气流作用力的三分力。
在桥梁的静风作用分析中,通常将风荷载换算成静力风荷载,作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上,进行结构的计算分析。
风的动力作用大跨度桥梁,尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥,除需要考虑静风荷载的作用之外,更主要考虑风对结构的动力作用。其中对桥梁的动稳定性研究尤为重要。颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。
1.颤振
振动的桥梁从流动的风中吸收能量,由此引起的不稳定被称为自激振动或颤振。颤振是一种危险性的自激发散振动,其特点是当达到临界风速时,振动着的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量,而该能量又大于结构阻尼所能耗散的能量,从而使振幅增大形成一种发散性的振动。
桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有这密切关系,通常来讲,主梁截面的流线性越好,气动稳定性越好。因此,在大跨度桥梁的初步设计阶段,有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化,以保证结构的抗风安全性。
2.抖振
抖振是由短周期的脉动风引起的强迫振动响应。根据紊流产生原因的不同,抖振又分为来流抖振和尾流抖振。
桥梁结构中最为常见的是大气紊流成分引起的抖振。结构的抖振虽然是限幅的随机强迫振动,但由于诱发抖振的风速较低,过大的抖振响应还将导致构件较大变形以及结构局部疲劳,同时会引起行人或行车的不舒适。
随着桥梁跨径和桥梁断面的复杂化,桥梁的气动稳定性越来越复杂,大多需要做风洞试验确定三分力系数,并需要建立相应的模型做动力响应分析,以最终确定桥梁结构的抗风设计是否通过。
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