桥梁抗风与风洞试验浅析

摘要：随着现代大跨桥梁跨径记录不断被刷新，结构随之趋于轻柔，阻尼减小，风荷载成为很多桥梁设计的控制性因素，所以对于桥梁的抗风研究显得十分必要。本文将探讨介绍风对桥梁的作用、桥梁抗风的研究方法及目前作为桥梁抗风最普遍的研究方法的风洞实验。

关键词：桥梁 抗风 风洞试验

引言

现代桥梁在跨度、材料、桥型、结构设计、施工方法等方面都发生了重大进步。进入21世纪以后，科技的进步、新材料的开发和应用等使得桥梁向着长大化，轻柔化发展，使其在风作用下的非线性特性更加突出，从而提出了桥梁抗风研究的精细化问题。

1风对桥梁的作用

（1）静风荷载

平均风产生的静力荷载称作静风荷载。静风荷载对大跨径桥梁的作用一般简化为风对结构的阻力、升力和升力矩的三分力的共同作用。风对桥梁的作用包括顺风向的阻力FD（t）、竖向升力FL（t）和因升力形成的升力矩FM（t）。

以前人们普遍认为大跨桥梁的空气动力临界风速一般都低于空气静风失稳风速，所以自从开始研究桥梁空气动力学以来，大跨桥梁抗风研究主要集中于结构动力失稳的问题上。直至1967年日本东京大学的Hirai教授在悬索桥的全桥模型风洞试验中观察到了空气静力扭转发散现象，空气静力稳定性问题才逐渐提上议程。

（2）风致振动

对于大跨度桥梁而言，当断面形式接近于流线型时，由于结构刚度小，使得结构振动容易被激发，风作用对于结构表现出的不仅仅是静力特性，还有动力特性，称为动风荷载。风的这种动力作用引起桥梁结构的振动，振动起来的桥梁又反回来影响风的流动，改变风对结构的作用，从而形成了风与桥梁的相互作用机制。风对结构的作用受结构振动的影响较小时，风荷载形成一种强迫力，致结构发生有限振幅的强迫振动，包括涡振及抖振；当风对结构的作用力受到结构的振动影响较大时，风荷载受到振动结构的制约，主要表现为一种自激力，可能导致桥梁结构的发散性自激振动，包括颤振和驰振。桥梁风荷载及其效应如表1所示。

2 桥梁风工程的研究方法

桥梁风工程的研究方法主要有三种：理论分析、风洞试验与现场观测以及数值模拟。

理论分析方法就是运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，然后应用结构动力学方法，求解各类风致振动和稳定问题。理论分析方法在建立风工程的基本理论方面起着决定性的作用。桥梁风工程的进一步发展，将有待于基本理论框架的新突破。

风洞试验是空气动力学研究的一个十分重要且不可替代的手段。进行桥梁风工程所要求的风洞是边界层风洞。这种风洞的特点是最高风速一般不超过100m/s。

在实桥上观察和测量桥梁风致振动的特性和主要参数，也是一种研究手段，在桥梁发生风致灾害时进行观测，研究价值较大。这种计算方法正在迅速发展中，但是要深入了解流体流动所引起的众多复杂作用，仍然必须进行物理实验。

3风洞试验分类

按照自身的特点及用途，桥梁模型有全桥模型和节段模型两种，因此桥梁风洞试验可分为全桥气弹模型试验与刚体节段模型试验。

（1）全桥气弹模型试验

全桥气动弹性模型可模拟出实桥的气动外形，也可对原结构的刚度、质量、阻尼和频率等一系列动力特性进行模拟，能够考虑高阶振型，非理想模态的参与，气动反馈，振型耦合作用等问题。另外全桥气动弹性模型试验要求风洞模拟的来流特性要与自然风的特性相似，因此可较为全面的反应出桥梁在风作用下的实际响应。气弹模型试验不需要测量风荷载，可直接测得结构的风致响应，解决了试验中刚性模型不能模拟出桥梁结构位移和结构与风的相互作用问题，是对桥梁在施工阶段，成桥阶段等各种不同阶段中所具有的气动性能进行研究的重要手段，但全桥气动弹性模型必须满足各种相似条件，导致模型的制作费用非常高。

（2）刚体节段模型试验

风对桥梁结构的作用近似被认为满足片条理论，因此桥梁结构的风致振动响应可通过节段模型试验来研究。

节段模型的模型制作相对容易，试验费用较为低廉，较容易模拟细部结构（如栏杆、检修车轨道以及其他的一些附属结构），缩尺比大，减小了雷诺数不一致产生的影响，并且可以方便的模拟阻尼。此外，往往主梁截面的气动性能对风攻角的变化十分的敏感，风攻角的变化能够通过节段模型试验准确的控制。

通过桥梁节段模型试验，可测得桥梁断面的三分力系数、气动导数等气动参数；同时还可以对桥梁结构进行二自由度的颤振临界风速试验实测和涡激振动响应。一般在大跨度桥梁结构初步设计阶段都要利用节段模型试验进行气动选型，对于一般大跨度桥梁也要利用节段模型试验来检验其气动性能，桥梁节段模型试验是十分重要的桥梁结构模型试验，也是最广泛应用的风洞试验。

结语

实践证明，风荷载已成为大跨度桥梁的设计控制荷载，而钝体空气动力学理论上的缺憾使得风洞试验成为桥梁抗风性能研究的主要手段。目前桥梁设计时多把节段模型与气弹模型试验结合来考虑，先利用节段模型修改方便，试验费用低廉的特点，找出气动特性良好（涡振小、颤振风速高等）的断面形式，对全桥结构进行预测；然后再通过全桥气动弹性模型试验评价桥梁的气动弹性稳定性，再用节段模型试验结果进行校核。

参考文献：

[1] 陈政清.桥梁风工程[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

[2] 项海帆.进入21世纪的桥梁风工程研究.第十届全国结构风工程学术会议论文集，2011.

[3] 埃米尔 希缪，罗伯特 H 斯坎伦著，刘尚培， 项海帆，谢济明译.风对结构的作用-风工程导论. 上海：同济大学出版社， 1992.