桥梁抗风设计.ppt

桥梁抗风设计桥梁抗风设计1相关的基本概念相关的基本概念桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的一些术语介绍如下：基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载跨度较小、刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的动力风荷载作用2风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响一般认为高风速时的平均攻角约在±3°之间阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值计算阵风荷载时应采用时距为1～3s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系数乘以设计基准风速求得静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现一种不稳定的扭转发散现象静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。

3静力三分试验：采用主梁或桥塔的刚性节段模型，在风洞中测定平均风绕流的静作用力的三个分量，即阻力、升力和扭转力矩无量纲的三分力系数和攻角的关系曲线反映出断面的基本气动性能，是分析桥梁各种风致振动和静力稳定的重要参数节段模型试验：将主梁的代表性做成刚性模型，用弹簧悬挂在支架上形成一个有竖向平动、转动（及侧向）自由度的振动模型，在风洞中测定风的动力作用满足相似条件的节段模型试验可直接测定二维颤振的临界风速，也可识别出用气动导数表示的非定常动力，是桥梁最重要的风洞试验之一全桥气动弹性模型试验：将全桥按一定几何缩尺制成并满足各种必要的空气动力学相似条件的三维弹性模型，在大型边界层风洞中观测其在均匀流及紊流风场中的各种风致振动现象，用于考察桥梁从施工期各阶段到成桥的抗风性能是研究桥梁风致振动最精确的试验方法4风对桥梁的静力作用风对桥梁的静力作用一、作用在桥梁结构上的平均风荷载1. 主梁静力三分力及静力三分力系数yxFLFVMZFDFHo风体轴坐标系和风轴坐标系αa5升力力矩式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度， 为气流的动压CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数，它们由节段模型试验提供。

阻力在体轴坐标系下，静力三分力表达为：6升力力矩式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，为气流的动压CD、CL、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数阻力在风轴坐标系下，静力三分力表达为：72. 桥塔、主缆及拉索上平均风荷载式中：D为桥墩、塔柱宽度或拉索外径，其余参数意义同上计算桥塔和拉索承受的风荷载时，按风剖面变化考虑不同高度的风速由于桥墩、塔柱、拉索截面较为规则其阻力系数CD可按《公路桥梁抗风设计指南》取值或通过模型实测 8二、扭转发散Ka弹性轴aV扭转发散问题的几何位置与参数 令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动力矩桥面宽为B，则扭转发散的临界风速度为 ：为绕扭转轴转动的气动力参数 式中： 9 对于单跨简支的悬索桥，可采用以下公式估算横向屈曲临界风速三、横向屈曲10四、桥梁空气静力稳定性的非线性分析 考虑结构的几何非线性及静力三分力随攻角的变化，采用非线性有限元方法进行分析该方法可以将横向屈曲和静力扭转发散一并考虑，是研究桥梁空气静力稳定性的较为完善的方法11桥梁动力特性及其计算分析桥梁动力特性及其计算分析12频率——单位时间内系统简谐振动的次数，常记为f，单位为Hz（次/秒）。

简谐振动的频率等于周期的倒数圆频率w=2pf，单位为（周/秒）振型——结构以某一频率做箭谐振动时，结构各点相对位移的关系阻尼——结构在做有阻尼自由振动时振幅衰减的程度一、 频率、振型及结构阻尼 阻尼比与对数衰减率的关系对数衰减律13桥梁种类阻尼比阻尼比的统计范围钢桥0.0050.5%~1.0%结合梁桥0.011.0%~1.5%混凝土桥0.022.0%~3.0% 结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得桥梁抗风设计中结构的阻尼比可以取以下经验值：14二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性1516空间杆单元17空间梁单元181.ANSYS2.ALGOR3.SAP20004.ADINA5.NASTRAN 6.ABAQUS7.DIANA进行结构动力特性分析常用的商业有限元软件19悬索桥结构动力特性示例悬索桥结构动力特性示例悬索桥结构动力特性示例悬索桥结构动力特性示例202122阶次频率(Hz) 振型特点10.0693纵漂20.1419L-S-130.2163V-S-140.2690V-A-150.3954V-S-260.4106L-A-170.4806V-A-280.5020主塔横摆90.5129主塔横摆100.5614T-S-1110.6437V-S-3120.6620V-A-3130.7039V-S-4140.7045L-S-2150.7480边跨竖向160.7634T-A-123斜拉桥结构动力特性计算示例斜拉桥结构动力特性计算示例斜拉桥结构动力特性计算示例斜拉桥结构动力特性计算示例24第一对称竖弯25第一反对称竖弯26第一对称扭转27第一对反称扭转28桥梁颤振分析中重要的模态桥梁颤振分析中重要的模态桥梁颤振分析中重要的模态桥梁颤振分析中重要的模态§ §第一对称竖弯第一对称竖弯§ §第一对称扭转第一对称扭转§ §第一反对称竖弯第一反对称竖弯§ §第一反对称扭转第一反对称扭转桥梁抖振分析中重要的模态•结构前20-30阶模态29其中：L——跨度（m)； EJ——加劲梁的竖弯刚度（N.m2)； Hg——恒载单根主缆水平拉力(N)；　　　m——桥面和主缆的单位长度总质量，m=md+2mc； md——　桥面单位长度质量(kg/m)； mc——　单根主缆单位长度质量(kg/m)。

f-——主缆矢高单跨简支悬索桥一阶反对称竖弯对于跨度超过500米的悬索桥三、 桥梁基频的近似计算30单跨简支悬索桥一阶对称竖弯单跨简支悬索桥一阶对称竖弯单跨简支悬索桥一阶对称竖弯单跨简支悬索桥一阶对称竖弯其中：L——跨度（m)； Ec——主缆弹性模量（N.m2)； Ac——单根主缆截面积(N)；　　　W——桥梁单位长度重量；31单跨简支悬索桥一阶反对称扭转单跨简支悬索桥一阶反对称扭转单跨简支悬索桥一阶反对称扭转单跨简支悬索桥一阶反对称扭转其中：EJw，EJd——加劲梁的约束扭转和自由扭转刚度(N.m2和N.m4)，对闭口箱梁，约束扭转刚度可以忽略； r——加劲梁惯性径（m)； Bc——两边索的中心距(m)；　　　W——桥梁单位长度重量；单跨简支悬索桥一阶对称扭转32。