当风以一定速度运动并受到桥梁阻碍时,桥梁就承受到风压。因此,桥梁结构设计时,应考虑风荷载(wind load)。对大跨度的斜拉桥、悬索桥以及高耸的桥塔和桥墩等,尤其如此。
风压分顺风向和横风向。顺风向的风压可视其为平均风压或脉动风压。采用静力学方法简化计算平均风压对结构的影响,是桥梁设计的常规做法;对脉动风压,往往需按结构(随机)振动理论进行分析。
以《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)为例,简要说明风荷载的计算方法。
横桥向风荷载的大小是风压与结构迎风面积的乘积。但风压与风速及空气重力密度有关,而风速受到地理位置、地形条件、地面粗糙程度、高度等因素的影响。
规范规定:取平坦空旷地面、离地面10m 高、重现期为100年的10min 平均最大风速,为桥梁所在地区的设计基本风速,记为 U10(单位:m/s),该风速可按规范取值并经实地调查核实后采用。注意 U10是根据离地面10m 高处的数据经统计得到的,在实用中,还应考虑桥梁各计算部位距地面或水面的高度 Z(m),高度 Z 处的设计基准风速记为 Ud(m/s),其与U10的关系如下:
式中 kf——抗风风险系数,根据桥梁抗风风险区域(按该规范中的表4.2.6-1确定);
kt——地形条件系数:对于平坦开阔地形取1.0;对峡谷谷口、山口可取1.2~1.5;对重要桥梁,可通过风洞试验或虚拟风洞试验获得,且不应于1.0;
kh——地表类别转换及风速高度修正系数,具体取值按规范规定计算;按地表状况,地面粗糙度分为 A、B、C、D 四类(例如,B 类对应的地表状况为田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区,对山间盆地、谷地或峡谷、山口等特殊地形,也按 B类取值);由于受地面摩擦的影响,气流贴近地面运动时的速度会降低,离地面越高,受影响越小,故kh随离地面高度的增加而增大。
施工阶段的设计风速则应按式(3.16)确定:
式中 Usd——施工阶段的设计风速(m/s);
ksf——施工期抗风风险系数,一般可由表3.9选用,也可根据桥梁具体情况和不同的抗风设计目标通过风险评估确定。
表3.9 施工期抗风风险系数
注:风险区域R1、R2和R3是根据基本风速U10划分的,详见规范。
作用在桥梁结构或构件上的风荷载,应考虑风的静力作用和风的动力作用。风作用下的结构风致响应特征与结构刚度大小有关,当结构刚度较小时,动力响应特征逐渐显现,动力效应较大。在抗风设计中,对轻、柔的桥梁或构件,需要考虑动力作用及其效应。
一般将自然风分为平均风和脉动风两部分,相应地结构在自然风作用下会产生平均风效应和脉动风效应。桥梁结构或构件的顺风向风荷载,考虑结构或构件上的风的空间相关性等因素基础上采用等效静阵风荷载的表达形式。等效静阵风风速 Ug按下式计算:
式中 GV——等效静阵风系数,实质上是考虑紊流强度、脉动风空间相关性、加载长度(高度)和结构构件离地面(或水面)高度等因素的顺风向风荷载加载时的风速比例系数,主梁按表3.10取值,桥墩、桥塔的静阵风系数则有所不同(详见规范5.2.2)。
表3.10 等效静阵风系数GV
横桥向风作用下主梁单位长度上的顺风等效静阵风荷载为:(www.xing528.com)
式中 Fg——作用在主梁单位长度上的顺风向等效静阵风荷载(N/m);
ρ——空气密度(kg/m3),可取为1.25kg/m3;
CH——主梁横向力系数,与主梁断面形式有关,具体参考相关规范计算;
D——主梁特征高度(m)。
跨径小于或等于200m 的桥梁,主梁上顺桥向单位长度的风荷载,按下列情况选取:① 对实体式主梁,取其横桥向风荷载的0.25倍;② 对桁架式主梁,取其横桥向风荷载的0.50倍。跨径大于200m 的桥梁,其顺桥向单位长度上的风荷载按风和主梁表面之间产生的摩擦力计算:
式中 Ffr——单位长度上的摩擦力(N/m);
Cf——摩擦系数;
s——主梁周长(m),对桁架断面为梁体外轮廓周长。
桥墩、桥塔、吊杆(索)上的风荷载以及横桥向风作用下斜拉索和主缆的等效静阵风荷载则按下式计算:
式中 CD——构件的阻力系数,与构件的截面形式有关,参考相关规范取值;
An——构件单位长度上顺风向的投影面积(m2/m),对斜拉索、主缆和吊杆取外径计算。
作用在桥墩或桥塔的风荷载可按地面或水面以上0.65倍墩高或塔高处的风速确定,也可按各节段高度处的风速分布分段计算。
顺桥向风作用下斜拉索上的单位长度水平向风荷载按下式计算:
式中 Dc——斜拉索的外径(m);
αc——斜拉索的倾斜角(°)。
顺桥向风作用下,悬索桥主缆单位长度上的顺桥向水平风荷载取其横桥向风荷载的0.15倍。
以上是桥梁等效静阵风荷载,还应考虑结构或构件的抖振惯性荷载,关于这部分的计算参考设计规范规定。
对比上述计算,铁路桥梁的风荷载计算则相对简单,具体计算方法按《铁路桥涵设计规范》(TB10002—2017)办理。
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