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标  题: [身边的力学]风与桥——彭大文
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风与桥

彭大文


    风对桥梁的力学作用，很早就有学者进行研究了。1759年Smeaton等就提出构造物设计时要考虑风压问题，从此开始有了风载荷的概念，但当时对风压的认识是不够的，也没有引起充分重视。直至1879年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击，85跨桁架中的13跨连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故发生之后，人们对风载荷所产生的作用才引起了高度的重视。以这一事故为契机，开展了关于风压的研究，并将其反映到桥梁设计中。1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压的大小是273千克／平方米。这一时期，巴黎为迎接1889年万国博览会，计划兴建埃菲尔（Eiffel）铁塔。为了确定作用在塔上的风压的大小，由著名工程师埃菲尔着手进行风洞实验，并在1909年成立了风力研究所。研究所中设立的埃菲尔型风洞，至今仍被广泛使用。这样，设计桥梁或建筑物时，就可以利用风洞试验定量地评价风荷载的大小。此后相当长时间内，人们把风对结构的作用仍只看成是由风压产生的静力作用。直至1940年，又发生了一次风毁桥梁的特大事故，才使人们看到了风对结构物的另一种作用——风致振动。

    桥梁，特别是悬索桥，由于风而受到损害，早在Tay桥被风毁之前就多次发生。据记载，在1818年至1940年间，至少有11座悬索桥毁于暴风。从目击者所描述的风毁景象中可以明显感到事故的原因是风引起的强烈振动。只是人们对这种风致振动机理还不可能作出科学的解释，对其危害性认识还不够。1940年，美国西海岸华盛顿州建成了中央跨径为853米，居当时世界第三位的塔科马悬索桥（Tacoma Bridge），其设计风速为60米／秒。然而四个月后，却在19米／秒的风速袭击下，产生强烈扭曲振动而遭破坏（图1）。这次事故再次震惊了桥梁工程界，经过广泛深入研究，提出了桥梁的风致振动问题。可以说塔科马桥的风毁开辟了土木工程界考虑空气动力问题的新时期。半个多世纪以来，在气象、结构力学、空气动力学、风洞实验等诸多领域专家学者的不懈努力下，虽然尚有不明之处，但已基本上弄清了桥梁发生各种风致振动的机理，并在结构工程这一领域内逐渐形成了一门新兴的学科——结构风工程学。

    风是一种自然现象，是由于太阳对地球大气的加热不均匀而引起的。由于地球表面的地形起伏和各种障碍物的影响，使靠近地面的风的流动发生紊乱，造成风在速度、方向及其空间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。为方便计，人们在处理风对桥梁的作用时，首先将风分成两部分：（1）假定风速在时间和空间上都是不变的，称此类风为平均风（稳定风）；（2）另一部分为风速在时间和空间上都改变，称它为脉动风。从而再将风对桥梁的作用也归纳为两类：一类是风的静力作用，另一类是风的动力作用。

    如果设计的桥梁刚度很大，在平均风作用下，桥梁保持静止不动或者其本身振动不影响气流的作用力，此时的定常反应（不随时间而变化的）称为风的静力作用。这时垂直于桥梁的气流作用力可分解为三个分量（图2），即气流方向的阻力，与其垂直方向的升力及升力矩。它们通常被称为流气作用力的三分力，与风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。

    如果设计的桥梁是个柔性结构，风的作用力可能引起桥梁振动，而振动的桥梁反过来又将改变气流作用力，产生附加的气动力，形成风与桥梁的相互作用体系，这时的反应，我们称之为风对桥梁的动力作用。风对桥梁的动力作用是一种十分复杂的现象。为了便于分析，我们把振动分为两类：一类是在平均风作用下产生的自激振动；一类是在脉动风作用下产生的强迫振动。

    自激振动是指振动的桥梁不断从流动的风中吸取能量，从而加剧桥梁的振动，甚至导致破坏。前面所述的塔科马桥即是自激振动的典型例子。该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经验，其抗风压的设计对于50米／秒的风速都是安全的，然而对风振却几乎未加考虑。根据当时的技术条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的H型断面。因此，1940年刚刚建成通车后，每遇稍强的风就显示出有风振的趋势，但在头4个月内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约1.5米后振动就衰减下来。运营几个月之后，随着跨中防止加劲梁和主索间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作反对称扭曲运动，在跨度1/4点出现从＋45°至－45°的倾斜。发生了扭曲振动约一小时之后，随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300米长的加劲梁坠入水中。

    从力学角度看，风引起了桥梁的振动，而振动的桥梁与附加的气动力之间又形成了闭合关系（图3）。如果风速超过某一数值时，便产生发散现象，变形将无限增大，桥梁便产生失稳。这种振动状态的发散现象就称作颤振（或动力失稳）。颤振是一种自激振动，是将风的动能转换为桥梁的振动能，而使桥梁的振幅增大。颤振有多种形式，像塔科马桥这样的颤振，是绕中心轴的扭转振动，我们称之为扭转颤振。

    驰振也是一种自激振动，和颤振相似，同样是一种发生在横风向的发散振动现象。但和颤振不同的是，驰振只限于弯曲振动体系。冬季，深山里的高压输电线上附着的冰雪使断面变成椭圆状态，铁塔间的输电线在风的作用下就会产生长周期（1～10秒），大振幅（1～10米）的振动，这种振动通常是在垂直于气流方向上的振动，这就是驰振（远看时如快马奔驰）。在桥梁中，就有朗格尔桥的H型断面吊杆发生驰振而损坏的例子。驰振一般发生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面结构中。例如斜拉桥矩形截面的钢塔架，在施工阶段就要考虑可能产生这种驰振现象。

    另一种自激振动是涡激振动，大约在1898年，斯特劳哈尔（Strouhal）通过实验发现，当流体绕过圆柱体后，在尾流中将出现交替脱落的漩涡。事实上不仅是圆柱体，对于其他钝体，如方形、矩形或各种桥梁截面受到均匀流的作用时，截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的气流作用力——涡激力，并且涡激频率fu与风速V和钝体截面的迎风高度d之间有一定的关系：

fu=St·V/d

    式中无量纲数St称为斯特劳哈尔数（Strouhal数），表示各种截面的Strouhal数见表1所示。如果被绕流的物体是一个振动体系时，周期性的涡激力将引起体系的涡激振动，并且在漩涡脱落频率和结构的自振频率一致时将产生涡激共振。涡激振动容易出现在具有实腹断面的斜拉桥、长大的连续箱梁桥、架设过程中的吊桥主塔，以及细长比大的H型断面的或圆形断面的构件。对于扁平的桥面（开口或闭口）也有可能产生涡激振动现象。

    以上我们所述的颤振、驰振以及由规则的周期性漩涡脱落引起的涡激振动现象都是假定在均匀的稳定风作用下，由于空气对振动结构的自激作用所造成的振动响应。这种振动响应的分类是按实用方便、历史背景，以及对现象机理的理解程度等方面考虑的。除此以外，大气中的紊流成分也可能使桥梁产生激烈的振动，我们称之为抖振（或阵风响应）。这一术语最初用于飞机的尾翼受到前面机翼尾流中紊流成分的影响而产生的振动。但桥梁中的抖振主要是考虑风本身扰动紊乱的气流所产生的强迫振动。根据桥梁的实际情况，紊流引起的抖振响应一般不会造成桥梁的破坏，但会引起结构的局部疲劳或使人感到不适，同时也会影响高速行车的安全。

    为了研究桥对风的响应特性，从根本上讲，进行几何缩尺模型的风洞实验是不可缺少的，特别对特大跨径的桥梁，风洞实验更是验证桥梁抗风性能的直接手段。如上海的南浦大桥和杨浦大桥（属斜拉桥），广东的虎门大桥和福建的海沧大桥（属悬索桥）都曾进行过风洞实验。风洞实验所采用的模型大致分为刚性节段模型、刚性整体模型及气动弹性整体模型等，以研究所需的不同气动特性及反映桥梁在风中的振动行为。

    由于风对桥梁将产生静力作用或动力作用，那么桥梁的抗风设计也应该包括静力抗风和动力抗风两部分内容。桥梁的静力抗风设计要注意强度问题和稳定问题。作为强度问题，主要是侧向风压引起的变形和应力；作为稳定问题，主要是在升力矩作用下引起的扭转发散或者在阻力作用下的侧倾失稳。

    对于大跨度柔性桥梁，如悬索桥和斜拉桥的抗风设计则应特别注意动力抗风设计。桥梁动力抗风设计的基本方针是：（1）提高结构的临界风速，使之大于设计风速，即不会发生危险性的发散型风致振动；（2）减少各种限幅风致振动（涡激共振，抖振等）的振幅，使之控制在可以接受的范围内。为了使桥梁在使用期间内，在预计的强风作用下不损害桥梁的安全性和使用性，首先应掌握架桥地点的强风特性，决定桥梁的设计风速，并据此推测风对桥梁的作用，校核抗风安全性。如果判断有可能会发生上述有害的振动，就应考虑适当的防止对策或进行设计变更。

    各国对于桥梁的抗风设计都制定了规范。例如，日本道路协会的《道路桥抗风设计手册》（1991年），《英国标准学会BS5400》（1981年）中有关的抗风设计部分等。近年来，我国的大跨度桥梁得到了飞速的发展，已建成了主跨602米的斜拉桥——上海杨浦大桥；正在施工中的主跨1385米的悬索桥——江阴长江大桥；主跨270米的砼连续钢构桥——虎门辅航道桥等，都达到了世界同类大跨桥梁的水平。还有许多特大跨径桥梁正在规划、设计和施工中，随着这些结构向大、轻、柔方向的发展，风对桥梁的作用已上升为结构设计中的重要问题。目前我国也正在抓紧编写《公路桥梁抗风设计指南》，相信这对我国桥梁的抗风设计将起很大的作用。

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