抗风设计，风洞试验与措施

1.桥梁抗风设计

桥梁抗风设计应考虑风的静力作用与动力作用，并根据不同的抗风性能要求按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计与检验。保证桥梁结构在强风及其他荷载共同作用下，具有足够的安全性能与可使用功能。

桥梁抗风设计按W1、W2两级作用水平确定相应的设计目标。当风作用水平为W1级时（相当于10年重现期设计风速水平），要求：风荷载与车辆荷载等作用组合，满足强度、刚度、静力稳定性及耐久性要求；满足疲劳、行车或行人的安全性与舒适度要求；在不大于该风速水平范围内，不应发生影响正常使用的涡激振动。当风作用水平为W2级时（相当于100年重现期设计风速水平），桥梁结构应：满足强度、刚度、静力稳定性要求；满足静风稳定性、气动稳定性要求；在不大于该风速水平范围内，不应发生影响正常使用的涡激振动。

其中，动力稳定性要求是，桥梁发生自激发散振动（如颤振）的临界风速必须高于桥梁的设计风速，并具有一定的安全储备，即：临界风速 ＞ 安全系数×设计风速。对于颤振验算，安全系数通常取为1.2。

正常使用的要求是，保证振动振幅有限，不至于引起结构的疲劳损伤，使行人感到不适以及影响施工的顺利进行等，所以应将桥梁可能发生的限幅振动的振幅限制在可以接受的范围内，即：最大响应≤容许值。

桥梁抗风设计大体可分为结构设计和结构抗风性能检验两个阶段。

（1）结构设计阶段

这一阶段的工作内容包括对桥位处风速资料的收集、风观测、风的特性参数选取等。根据全国基本风压分布图，并考虑桥址处的地形地貌情况、桥梁高度和桥跨长度、自然风的特征等因素，确定桥梁的设计风速、设计风荷载和自激振动检验风速。设计内容是提出抗风设计对结构设计的多项要求，作为确定桥梁结构体系，各构件的材料、形状、尺寸等的参考。其中最重要的是结构体系的抗风性能设计和结构断面形状的气动选型。

（2）结构抗风性能检验阶段

该阶段包括静力抗风性能和动力抗风性能检验两部分。静力抗风检验包括根据规范或通过风洞试验确定结构断面的静力气动力系数，计算出作用在桥梁各个部分的静风荷载，进而计算出在静风荷载作用下的结构内力、变形，检验结构的静力稳定性。动力抗风检验包括桥梁在施工及运营状态时的颤振特性、涡激共振特性、抖振特性检验。采用风洞试验或半试验半理论的方法给出桥梁的颤振临界风速和形态，涡激共振的发生风速和振幅估计，抖振振幅及其产生的惯性力。

对于颤振临界风速的确定，目前还没有完善通用的计算公式，各国规范所采用的计算式也均是基于经验的，下面列出的是Van Der Put基于平板理论与风洞模型试验成果提出的近似公式。在桥梁初步设计阶段，通常可采用下式估算临界风速U：

式中　η——主梁截面几何形状折减系数：对于目前用于悬索桥或斜拉桥的流线型扁平箱梁，该值一般为0.7～0.9；对于截面较钝的混凝土箱梁，该值一般为0.3～0.5；

ε——桥梁的扭转频率与竖弯频率之比；

r——主梁截面的惯性半径；

μ——主梁单位长度等效质量与空气的质量比；

ωb——竖弯频率；

b——半桥宽。

从上式大致可以看出：主梁截面越扁平，流线型越好，临界风速越高；桥梁的刚度越大，固有频率越高，临界风速越高；主梁越重，临界风速越高。因此，同样截面的混凝土主梁比钢主梁对抗风更为有利。

2.风洞模型试验(www.xing528.com)

在确定风引起的桥梁响应时，通常可采用已有的理论分析和风洞模型试验等方法。但由于桥梁断面形状复杂多样，用纯理论分析方法求解作用在桥梁上的空气力及风致振动响应相当困难。因此，采用风洞模型试验仍是目前抗风设计最有效和最可靠的手段。

所谓风洞（wind tunnel），通常指一个可产生气流的管道。风洞的种类很多，一般可依照不同的用途分类，或根据试验段风速大小来划分，也有根据其试验段流动特性来区分。用于进行桥梁空气动力学研究的风洞，在早期都是利用低速航空风洞，目前已逐步采用专门用于结构风工程研究的大气边界层风洞。大气边界层风洞具有较长的、并可以模拟大气边界层内自然风特性的试验段。试验段的截面积从几平方米至几十平方米不等，试验风速可以从很低的风速（一般为1～2m/s）到每秒数十米。图9.14是一个常用的回流式大气边界层风洞的轮廓图，图9.15为西南交通大学风工程试验中心的1号风洞（XNJD-1），该风洞为单回流串联双试验段工业风洞，第一试验段断面为3.6m（宽）×3.0m（高），第二试验段断面为2.4m（宽）×2.0m（高）的矩形，最大来流风速为45m/s，最小来流风速为0.5m/s。

根据试验的目的，桥梁风洞模型试验分为主梁节段模型静力试验、动力试验和全桥气动弹性模型试验等。

节段模型静力试验是将主梁（成桥状态时还包括栏杆）按一定的几何比例做成模型，然后支撑在风洞中进行试验，以测定静力三分力系数（CD、CL和CM）等。

图9.14　大气边界层风洞轮廓图

图9.15　风洞实物（XNJD-1）

动力试验是用弹簧（模拟桥梁其余部分对主梁节段的弹性约束作用）将节段模型悬挂在风洞中进行试验，弹簧常数由相似条件决定。这种试验可以直接给出桥梁颤振临界风速的二维近似试验结果。因试验模型制作容易，费用少，时间省，这种试验得到广泛应用。

全桥气动弹性模型则是将各部分构件的几何外形、质量和刚度按相似关系做成全桥模型，以使模型的固有振动特性与实桥相似，试验的目的是全面测定桥梁的临界风速、涡激振动和紊流引起的抖振等的振幅。这种试验具有制作复杂，周期较长，费用昂贵，但真实可靠等特点。

当所确定的颤振临界风速不够高，或风致限幅度振动的振幅过大时，在设计中，还可通过多种措施对结构的振动进行抑制，以使桥梁具有足够的抗风能力。

3.桥梁抗风措施

桥梁结构及构件的抗风措施大体上可分为两大类：一是以改善结构的振动特性为目的的结构措施；二是以改善结构的空气动力特性为目的的气动措施。

结构措施有增加质量（可减小振幅）、提高刚度（可提高固有频率，增大临界风速，同时减小变形）、增大阻尼（减小振幅）等。例如，在工程实践中采取的措施有：桥梁构造上采用扭转刚度较大的桁架梁或箱梁作为悬索桥等的主梁，在空心构件中充填混凝土及砂砾（增加质量），用钢缆或辅助构件加固结构（增加刚度），设置各种阻尼器等。但要注意的是，增加质量会导致恒载增加，因而不经济；拉设钢缆会影响美观和功能，阻尼器则需要长期维护等。

气动措施也称为空气动力学措施，本质上就是采用流线型好、抗风性能好的断面形状，从根本上提高桥梁的颤振临界风速，并减小风致振动的振幅。图9.16为加拿大龙溪桥主梁采用不同断面形状时涡激振动的风洞试验结果。可以看出，因截面形状的改变并在截面两侧增加风嘴，可使结构振幅大为降低。图9.17为流线型扁平箱梁的几种气动措施，其作用在于尽量减小风吹过截面时产生的紊流。

图9.16　龙溪桥的竖向涡激振动

图9.17　扁平箱梁的气动措施