工程设计及可靠度设计原理

1、第第4 4章章 风荷载风荷载 本本 章章 导导 读读 叙述了风速与风压的关系、基本风压的定义和基本风压取叙述了风速与风压的关系、基本风压的定义和基本风压取值原则值原则; ; 介绍了地面粗糙度对风压的影响、平均风压沿高度变化的介绍了地面粗糙度对风压的影响、平均风压沿高度变化的规律以及风压高度变化系数的确定方法；规律以及风压高度变化系数的确定方法； 讨论了风流经建筑物表面时的气流分布状况和建筑物体型讨论了风流经建筑物表面时的气流分布状况和建筑物体型对风压分布影响；对风压分布影响； 给出了结构顺风向风振和横风向风振产生的原因及结构抗给出了结构顺风向风振和横风向风振产生的原因及结构抗风振设计方法；风振

2、设计方法； 分析了风对桥梁的静力作用和动力作用，对于大跨度桥梁分析了风对桥梁的静力作用和动力作用，对于大跨度桥梁结构必须考虑结构的风致振动。结构必须考虑结构的风致振动。 4.14.1风的基本知识风的基本知识 4.1.14.1.1风的形成风的形成 风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力，和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。 当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、

3、桥梁等阻当风以一定的速度向前运动遇到建筑物、构筑物、桥梁等阻碍物时，将对这些阻碍物产生压力。碍物时，将对这些阻碍物产生压力。 风荷载是工程结构的主风荷载是工程结构的主要侧向荷载之一，它不仅要侧向荷载之一，它不仅对结构物产生水平风压作对结构物产生水平风压作用，还会引起多种类型的用，还会引起多种类型的振动效应。振动效应。4.1.24.1.2两类性质的大风两类性质的大风 1. 1. 台风台风 台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在暖热带洋面台风是发生在热带海洋上空的一种气旋。在暖热带洋面上空，在合适的环境下，气流产生上升和对流运动。上空，在合适的环境下，气流产生上升和对流运动。 2. 2. 季风季风

4、 由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风。陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风。4.1.34.1.3风级风级 为了区分风的大小，根据风对地面为了区分风的大小，根据风对地面( (或海面或海面) )物体的影响程物体的影响程度将风划为若干等级。风力等级（度将风划为若干等级。风力等级（wind scalewind scale）简称风级，是）简称风级，是风强度的一种表示方法。风强度的一种表示方法。 国际通用的风力等级是由英国人蒲福（国际通用的风力等级是由英国人蒲福（BeaufortBeauf

5、ort）于）于18051805年拟定的，故又称年拟定的，故又称蒲田风力等级蒲田风力等级(Beaufort scale )(Beaufort scale )。 由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引由于早期人们还没有仪器来测定风速，因此就按照风所引起的现象来划分等级，起的现象来划分等级， 最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小大小，分为分为1313个等级（个等级（0 01212级）。级）。 后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等级由等级由1212级台风扩充

6、到级台风扩充到1717级，级，增加为增加为1818个等级（个等级（0 01717级）级）。表4.1 蒲福风力等级表风力风力等级等级名称名称海面状况浪高海面状况浪高/m海岸渔船海岸渔船征象征象陆地地面物征陆地地面物征象象距地距地10m高处相当风速高处相当风速一般一般最高最高km/hmile/hm/s0静风静风静静,烟直上烟直上平静平静12.52.5H H时，取时，取z z=2.5=2.5H H。2B1tg12.5zHtgtg0.3tg0.3d12dZABCAd4dCB图图4.5 4.5 山峰和山坡示意图山峰和山坡示意图 对于山坡和山峰的其他部位，可按图对于山坡和山峰的其他部位，可按图4.54.5

7、所示，取所示，取A A、C C处的处的修正系数修正系数 、 为为1 1，ABAB间和间和BCBC间的修正系数间的修正系数 按的线性插按的线性插值确定。值确定。AC4.2.5 4.2.5 远海海面和海岛基本风压远海海面和海岛基本风压 风对海面的摩擦力小于对陆地的摩擦力，所以海上风速比风对海面的摩擦力小于对陆地的摩擦力，所以海上风速比陆地要大。陆地要大。 沿海地带存在一定的海陆温差，促使空气对流，使海边风沿海地带存在一定的海陆温差，促使空气对流，使海边风速增大。速增大。 基于上述原因，远海海面和海岛的基本风压值大于陆地平基于上述原因，远海海面和海岛的基本风压值大于陆地平坦地区的基本风压值，并随海面

8、或海岛距海岸距离的增大而坦地区的基本风压值，并随海面或海岛距海岸距离的增大而增大。增大。 可得不同出海距离下，对应的海陆风速比值，即远海海面可得不同出海距离下，对应的海陆风速比值，即远海海面和海岛基本风压修正系数（表和海岛基本风压修正系数（表4.54.5）。）。 表表4.5 4.5 远海海面和海岛的修正系数远海海面和海岛的修正系数距海岸距离（距海岸距离（km）4,可可取取 =1.3。 （2 2）风压高度变化系数）风压高度变化系数 由表由表4.64.6可确定风压高度变化系数，各区段中点位置处的风可确定风压高度变化系数，各区段中点位置处的风压高度变化系数列于表压高度变化系数列于表4.114.11中

9、。中。 （3 3）脉动风荷载共振因子）脉动风荷载共振因子 脉动风荷载的共振分量因子脉动风荷载的共振分量因子R R计算过程如下。在计算计算过程如下。在计算R R时时结构的基本周期可按经验公式（结构的基本周期可按经验公式（4.274.27）确定：）确定：s22331331000.250.53 100.250.53 101.74s45HTB 结构的第结构的第1 1阶自振频率为阶自振频率为0.575Hz0.575Hz。地面粗糙度修正系数。地面粗糙度修正系数C C类地类地区区k kw w0.540.54，基本风压，基本风压w w0 00.55kN/m0.55kN/m2 2，代入（，代入（4.174.17

10、）式。）式。111w03030 0.57531.65,50.54 0.55fxxk w将将x131.65，10.05代入（代入（4.16）式）式22124/324/3113.1431.651.026(1)60.05 (131.65 )xRx （4 4）脉动风荷载背景分量因子）脉动风荷载背景分量因子 脉动风荷载背景因子脉动风荷载背景因子Bz计算过程如下。由表计算过程如下。由表4.6可以查得风可以查得风压高度变化系数，由表压高度变化系数，由表4.7可以查得系数可以查得系数k，系数，系数1，振型系数，振型系数可由表可由表4.9查得，也可按式（查得，也可按式（4.23）计算，结果列于表）计算，结果列于

11、表4.11。 竖直方向的相关系数按（竖直方向的相关系数按（4.19）式计算，）式计算，H=100m：/60100/601060e6010 10060e600.716100HzHH 水平方向的相关系数可按（水平方向的相关系数可按（4.20）式计算，）式计算，B=45m：/50100/501050e5010 4550e500.29245HxBB 各区段中点位置处脉动风荷载背景分量因子各区段中点位置处脉动风荷载背景分量因子Bz由式（由式（4.18）计算，计算结果列于表计算，计算结果列于表4.11。11zz( )( )zxzBkHz （4.18）表4.11 脉动风荷载的背景分量因子Bz计算位置离地高度

12、计算位置离地高度zi/m5152535455565758595风压高度变化系数风压高度变化系数z0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47振型系数振型系数1(z) 0.0970.2110.3070.3960.4820.5680.6570.7480.8440.946系数系数k0.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.2950.295系数系数10.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.2610.261脉动风载水平相关系数脉动风载水平相关系数x0.2920.2920.2920.2

13、920.2920.2920.2920.2920.2920.292脉动风载竖向相关系数脉动风载竖向相关系数z0.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.7160.716脉动风载共振分量因子脉动风载共振分量因子Bz0.0310.0670.0780.0870.0950.1020.1100.1180.1250.133（5 5）风振系数）风振系数 风振系数风振系数z按式（按式（4.15）确定，各区段中点位置处的风振系）确定，各区段中点位置处的风振系数计算结果列于表数计算结果列于表4.12中。中。210z121zgI BR 表表4.12 4.12 各区段中点位置处的

14、风振系数各区段中点位置处的风振系数z z计算位置离地高度计算位置离地高度 zi(m)5152535455565758595峰值因子峰值因子g2.52.52.52.52.52.52.52.52.52.5名义湍流强度名义湍流强度I100.230.230.230.230.230.230.230.230.230.23脉动风载共振因子脉动风载共振因子R1.041.041.041.041.041.041.041.041.041.04脉动风载背景因子脉动风载背景因子Bz0.0310.0670.0780.0870.0950.1020.1100.1180.1250.133风振系数风振系数z1.051.111.1

15、31.141.161.171.181.201.211.22 （6 6）各区段中点高度处风荷载标准值）各区段中点高度处风荷载标准值 各区段中点高度处风压值，按（各区段中点高度处风压值，按（4.30）式计算，计算结果）式计算，计算结果列于表列于表4.13中。中。0wwzszk（4.30）表表4.13 4.13 各区段中点高度处风荷载标准值（各区段中点高度处风荷载标准值（kN/mkN/m2 2）计算位置离地高度计算位置离地高度zi(m)5152535455565758595风载体型系数风载体型系数s1.301.301.301.301.301.301.301.301.301.30风压高度变化系数风压高

16、度变化系数z0.650.650.810.941.051.151.241.321.401.47风振系数风振系数z1.051.111.131.141.161.171.181.201.211.22基本风压值基本风压值w0/kN/m20.550.550.550.550.550.550.550.550.550.55风荷载标准值风荷载标准值wki0.490.520.650.770.870.961.051.131.211.28 （7 7） 基底弯矩计算基底弯矩计算 风荷载引起的基底弯矩，可由图风荷载引起的基底弯矩，可由图4.104.10所示计算简图求出：所示计算简图求出：1015(0.49 50.52 15

17、0.65 250.77 350.87 450.96 551.05 65 1.13 75 1.21 85 1.28 95) 45 102.353 10 kN mkiiiiMwzA 4.6 4.6 横风向风振横风向风振 4.6.1 4.6.1 涡激共振的产生涡激共振的产生 建筑物或构筑物受到风力作用时，不但顺风向可以发生风振，建筑物或构筑物受到风力作用时，不但顺风向可以发生风振，而且在一定条件下，横风向也能发生风振。而且在一定条件下，横风向也能发生风振。 对于高层建筑、高耸塔架、烟囱等结构物，横风向风作用引对于高层建筑、高耸塔架、烟囱等结构物，横风向风作用引起结构共振会产生动力效应，甚至对工程设计

18、起控制作用。起结构共振会产生动力效应，甚至对工程设计起控制作用。 横风向风振是由不稳定空气动力作用造成的，它与结构截面横风向风振是由不稳定空气动力作用造成的，它与结构截面形状及雷诺数有关，现以圆柱体结构为例，导出雷诺数定义。形状及雷诺数有关，现以圆柱体结构为例，导出雷诺数定义。 空气在流动中影响最大的两个作用力是惯性力和粘性力。空气在流动中影响最大的两个作用力是惯性力和粘性力。空气流动时自身质量产生的惯性力等于单位面积上的压力空气流动时自身质量产生的惯性力等于单位面积上的压力 乘以面积，其量纲为：乘以面积，其量纲为： D 为圆柱体直径。为圆柱体直径。 粘性力反映流体抵抗剪切变形的能力，流体粘性

19、可用粘粘性力反映流体抵抗剪切变形的能力，流体粘性可用粘性系数性系数 来度量，粘性应力为粘性系数来度量，粘性应力为粘性系数 乘以速度梯度乘以速度梯度 dv/dy，而流体粘性力等于粘性应力乘以面积，其量纲为：而流体粘性力等于粘性应力乘以面积，其量纲为： 212v22Dv2)(DDv 雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动雷诺数定义为惯性力与粘性力之比，雷诺数相同则流体动力相似。雷诺数力相似。雷诺数ReRe可表示为：可表示为： （4.324.32） 式中式中 空气密度空气密度(kg/m(kg/m3 3) )； v v 计算高度处风速（计算高度处风速（m/sm/s）; ; D D 结构截面

20、的直径（结构截面的直径（m m），或物体表面特征尺寸；），或物体表面特征尺寸； 空气粘性系数；空气粘性系数； 运动粘性系数，运动粘性系数， 。 在式（在式（4.304.30）中代入空气运动粘性系数）中代入空气运动粘性系数 m m2 2/s/s，则雷诺数则雷诺数ReRe可按下式确定：可按下式确定： Re = 69000 vD （4.334.33） 222Re()v DvDvDvvDD51.45 10 雷诺数与风速大小成比例，风速变雷诺数变。雷诺数与风速大小成比例，风速变雷诺数变。 当雷诺数很小，如当雷诺数很小，如Re1Re1时，时，流动将附着在圆柱体整个表面，流动将附着在圆柱体整个表面，即流动不

21、分离。即流动不分离。 当雷诺数较小，处于当雷诺数较小，处于5Re405Re40时，时，出现流动分离，分离点出现流动分离，分离点靠前缘（图靠前缘（图11a），分离流线内有两个稳定的旋涡。），分离流线内有两个稳定的旋涡。 当雷诺数当雷诺数增加，但当雷诺数当雷诺数增加，但Re3.0Re3.010105 5时，时，流体从圆柱流体从圆柱体后分离出的旋涡将交替脱落，向下游流动形成涡列（图体后分离出的旋涡将交替脱落，向下游流动形成涡列（图11b），若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时引起结构），若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时引起结构涡激共振，即产生横向风振。涡激共振，即产生横向风振。 当雷诺数继续增加

22、，处于当雷诺数继续增加，处于3.03.010105 5Re3.5Re3.510106 6范围时范围时，圆柱体尾流在分离后十分紊乱，出现比较随机的旋涡脱落，圆柱体尾流在分离后十分紊乱，出现比较随机的旋涡脱落，没有明显的周期。没有明显的周期。 当雷诺数增加到当雷诺数增加到Re3.5Re3.510106 6时，时，又呈现了有规律的旋涡又呈现了有规律的旋涡脱落，若旋涡脱落频率与结构自振频率接近，结构将发生强脱落，若旋涡脱落频率与结构自振频率接近，结构将发生强风共振。风共振。层流分离（a a） 层流分离层流分离 （b b） 旋涡脱落旋涡脱落 图图4.20 4.20 层流分离及旋涡脱落层流分离及旋涡脱落

23、卡门（卡门（Karman）对涡激共振现象进行了深入的分析，圆）对涡激共振现象进行了深入的分析，圆柱体后的涡列又称卡门涡列。柱体后的涡列又称卡门涡列。 斯脱罗哈（斯脱罗哈（Strouhal）在研究的基础上指出旋涡脱落现象）在研究的基础上指出旋涡脱落现象可以用一个无量纲参数来描述，此参数命名为斯脱罗哈数，可以用一个无量纲参数来描述，此参数命名为斯脱罗哈数，可表示为：可表示为： svDStT式中式中 St斯脱罗哈数；斯脱罗哈数； Ts旋涡脱落一个完整周期；旋涡脱落一个完整周期； v来流平均速度（来流平均速度（m/s）。）。（4.34） 4.6.24.6.2锁定现象及共振区高度锁定现象及共振区高度 4

24、.6.2.14.6.2.1锁定现象锁定现象 实验研究表明，一旦结构产生涡激共振，结构的自振频率实验研究表明，一旦结构产生涡激共振，结构的自振频率就控制旋涡脱落频率。就控制旋涡脱落频率。 由式（由式（4.344.34）式可知，旋涡脱落频率随风速而发生变化，）式可知，旋涡脱落频率随风速而发生变化，在结构产生横向共振反应时，若风速增大，旋涡脱落频率仍在结构产生横向共振反应时，若风速增大，旋涡脱落频率仍维持不变，与结构自振频率保持一致，这一现象称为锁定。维持不变，与结构自振频率保持一致，这一现象称为锁定。 在锁定区内，旋涡脱落频率是不变的，锁定对旋涡脱落的在锁定区内，旋涡脱落频率是不变的，锁定对旋涡脱

25、落的影响如图影响如图4.214.21所示。所示。 只有当风速大于结构共振风速约只有当风速大于结构共振风速约1.31.3倍时，旋涡脱落才重新倍时，旋涡脱落才重新按新的频率激振。按新的频率激振。图图4.21 4.21 锁定现象锁定现象 图图4.22 4.22 共振区高度共振区高度 4.6.2.2 4.6.2.2 共振区高度共振区高度 在一定的风速范围内将发生涡激共振，涡激共振发生的初在一定的风速范围内将发生涡激共振，涡激共振发生的初始风速为临界风速，临界风速始风速为临界风速，临界风速 可由式（可由式（4.344.34）导出：）导出： （4.354.35）式中式中 S Stt斯脱罗哈数，对圆截面结构

26、取斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.20.2； T Tj j结构第结构第j j振型自振周期。振型自振周期。cr5jjDDvT StTcrv 在一定风速范围内发生涡激共振，沿高度（在一定风速范围内发生涡激共振，沿高度（1.01.01.31.3） 的区域为锁定区，即共振区。对应于共振区起点高度的区域为锁定区，即共振区。对应于共振区起点高度H H1 1的风的风速为临界风速速为临界风速 ，由式（，由式（4.44.4）给出的风剖面的指数变化规）给出的风剖面的指数变化规律，取离地标准高度为律，取离地标准高度为10m10m，有：，有： （4.364.36） 可得可得 （4.374.37） 若取离地高度为若取离地

27、高度为H H，则得，则得H H1 1的另一表达式：的另一表达式： （4.384.38）式中：式中： H 结构总高度（结构总高度（m）；）； VH 结构顶部风速（结构顶部风速（m/s）。）。)10(10crHvv/10cr1)(10vvH /1Hcr1)(vvHH crvcrv 对应于风速对应于风速1.3的高度的高度H2，由式（，由式（4.4）的指数变化规律，）的指数变化规律，取离地标准高度为取离地标准高度为10m，同样可导出：，同样可导出： （4.39） 式（式（4.37）计算出的）计算出的H2值有可能大于结构总高度值有可能大于结构总高度H，也有，也有可能小于结构总高度可能小于结构总高度H，实

28、际工程中一般均取，实际工程中一般均取H2=H，即共，即共振区范围为（振区范围为（H - H1）。）。/10cr2)3 . 1(10vvH 5.3 5.3 横风向风振验算横风向风振验算 涡流脱落振动特征可根据雷诺数涡流脱落振动特征可根据雷诺数ReRe的大小划分为三个临界的大小划分为三个临界范围，范围，（1 1）亚临界范围（）亚临界范围（Re3.0Re3.010105 5）（2 2）超临界范围（）超临界范围（3.03.0105Re3.5105Re3.510106 6）（3 3）跨临界范围（）跨临界范围（Re3.5Re3.510106 6） 涡激振动状态与斯脱罗哈数涡激振动状态与斯脱罗哈数StSt有

29、关。对圆形截面的结构，有关。对圆形截面的结构，应根据雷诺数应根据雷诺数ReRe的不同情况进行横风向风振验算。的不同情况进行横风向风振验算。 （1 1）亚临界范围（）亚临界范围（Re3.0Re3.010105 5） 当当Re3.0Re3.010105 5时，一般风速较低，即使发生亚临界的微时，一般风速较低，即使发生亚临界的微风共振，也不会对结构的安全产生严重影响。工程设计时应风共振，也不会对结构的安全产生严重影响。工程设计时应采取适当构造措施，控制结构顶部风速采取适当构造措施，控制结构顶部风速V VH H不超过临界风速不超过临界风速V Vcrcr，V Vcrcr和和V VH H可按下列公式确定：

30、可按下列公式确定：H11cr5TDSTDvtH02000Hwv 式中：式中：T T1 1 结构基本自振周期；结构基本自振周期； 结构顶部风压高度变化系数。结构顶部风压高度变化系数。 当结构沿高度截面缩小时，可近似取当结构沿高度截面缩小时，可近似取2/32/3结构高度处的风结构高度处的风速和直径来计算雷诺数和其他参数。速和直径来计算雷诺数和其他参数。（4.40）（4.41） （2 2）超临界范围（）超临界范围（3.03.010105 5Re3.5Re 3.5106属跨临界范围，会出现强风共振。属跨临界范围，会出现强风共振。0.15210H32 367()29.6 ()39.37m/s1010Hv

31、v （3 3）共振区范围）共振区范围 临界风速起始点高度临界风速起始点高度H1按式（按式（4.36）、终结点高度）、终结点高度H2按式按式（4.37）计算，有：）计算，有：取取H2=H，即该烟囱共振区范围为，即该烟囱共振区范围为5.55100m。1/1/0.15cr1H32.59()100()5.55m1.21.241.91vHHv1/1/0.15cr201.31.3 32.59()10()107.5m29.67vHHv（4 4）强风共振等效风荷载）强风共振等效风荷载跨临界强风共振引起在跨临界强风共振引起在z z高度处第高度处第1 1振型的等效风荷载：振型的等效风荷载：计算系数计算系数 ，由，

32、由 ，查表，查表4.154.15可得可得 =1.54=1.54。1z12cr1cz112800/vw110.18HH1 烟囱截面沿高度规律变化，对应于共振起始点烟囱截面沿高度规律变化，对应于共振起始点H H1 1的第的第1 1振型振型系数系数 ，烟囱顶部第，烟囱顶部第1 1振型系数振型系数 。再将。再将 ， ，代入上式，可得：，代入上式，可得：z10.05z11.000cr32.59m/sv 10.05共振起始点处等效风荷载：共振起始点处等效风荷载： 烟囱顶部等效风荷载：烟囱顶部等效风荷载： 20.129kN/mcw 22.572kN/mcw 可得强风共振等效风荷载（表可得强风共振等效风荷载（

33、表4.184.18）。共振区范围等效风）。共振区范围等效风荷载按指数规律变化（图荷载按指数规律变化（图4.224.22）。）。 表表4.18 4.18 等效风荷载等效风荷载 w wcz1cz1(kN/m2)(kN/m2)计算表计算表高度高度z处处(m)相对高度相对高度z/H计算系数计算系数 1临界风速临界风速 vcr(m/s)阻尼比阻尼比 1振型系数振型系数 z1等效风荷载等效风荷载 wcz1 (kN/m2)5.550.0561.5532.590.050.0050.01310.00.101.5532.590.050.010.02620.00.201.5532.590.050.050.12930

34、.00.301.5532.590.050.110.28340.00.401.5532.590.050.190.48950.00.501.5532.590.050.300.77260.00.601.5532.590.050.421.08070.00.701.5532.590.050.551.41580.00.801.5532.590.050.691.77590.00.901.5532.590.050.852.186100.01.001.5532.590.051.002.572 可得该烟囱截面沿高可得该烟囱截面沿高度强风共振等效风荷载，度强风共振等效风荷载，共振区范围等效风荷载共振区范围等效风荷载

35、按指数规律变化（图按指数规律变化（图4.224.22）。）。 图图4.23 4.23 例题例题4.2 4.2 图示图示2BO= 9m2BH= 6mH1= 5 .5 5m5.55m94.45mH=100mH2= 1 0 0m2 .5 7 2 k N /m0 .0 1 2 9 k N /m 4.7 4.7 桥梁风荷载桥梁风荷载 4.7.14.7.1风对桥梁结构的作用风对桥梁结构的作用 风荷载是桥梁结构的重要设计荷载，尤其是对于大跨径风荷载是桥梁结构的重要设计荷载，尤其是对于大跨径的斜拉桥和悬索桥，风荷载往往起着决定性作用。的斜拉桥和悬索桥，风荷载往往起着决定性作用。 风对桥梁结构的作用，可分为不随

36、时间变化的平均风所风对桥梁结构的作用，可分为不随时间变化的平均风所引起的静力作用和随时间变化的脉动风引起的动力作用两大引起的静力作用和随时间变化的脉动风引起的动力作用两大类。对于大跨桥梁还必须考虑结构风致振动。类。对于大跨桥梁还必须考虑结构风致振动。19401940年年Tacoma大桥毁于风振大桥毁于风振 1 1风的静力作用风的静力作用 在平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，在平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，可将其视为静力风荷载。静力风荷载采用三分力来描述：可将其视为静力风荷载。静力风荷载采用三分力来描述： 升力荷载：升力荷载：气流流经桥梁时，截面表面的风压分布存在

37、差气流流经桥梁时，截面表面的风压分布存在差别，上下表面压强差就是桥梁所受的升力荷载；别，上下表面压强差就是桥梁所受的升力荷载； 横风向力：横风向力：迎风前后表面压强差则是桥梁所受的风阻力荷迎风前后表面压强差则是桥梁所受的风阻力荷载，即通常所说的横风向力；载，即通常所说的横风向力； 扭矩：扭矩：当升力与阻力的合力作用点与桥梁截面的形心不一当升力与阻力的合力作用点与桥梁截面的形心不一致时，还会产生对形心的扭矩。致时，还会产生对形心的扭矩。 桥梁风荷载包含升力桥梁风荷载包含升力F FV V、阻力、阻力F FH H与扭矩与扭矩M MT T三个分量，在体三个分量，在体轴坐标系下的三分力如图轴坐标系下的三

38、分力如图4.244.24所示。所示。图图4.24 4.24 风荷载在体轴坐标系下的三分力风荷载在体轴坐标系下的三分力 因此，整个截面的风荷载包含升力因此，整个截面的风荷载包含升力FV、阻力、阻力FH与扭矩与扭矩MT三个分量，有时（例如风洞试验）需要定义风轴坐标系三个分量，有时（例如风洞试验）需要定义风轴坐标系来分析问题，此时三分力依次定义为升力来分析问题，此时三分力依次定义为升力FL、阻力、阻力FD和扭和扭矩矩MT，如图，如图4.25所示。所示。图图4.25 4.25 风荷载在风轴坐标系下的三分力风荷载在风轴坐标系下的三分力 引入无量纲的静力三分力系数，在体轴坐标系下静力风引入无量纲的静力三分

39、力系数，在体轴坐标系下静力风荷载可以表示为：荷载可以表示为： 阻力阻力 (4.45) 升力升力 (4.46) 扭矩扭矩 (4.47) 式中：式中： U上游来流平均风速；上游来流平均风速；CH、CV、CM体轴坐标阻力系数、升力系数与扭矩系数；体轴坐标阻力系数、升力系数与扭矩系数； D、B桥梁截面的高度与宽度。桥梁截面的高度与宽度。 类似体轴坐标系下静力风荷载的表达式，风轴坐标系下同类似体轴坐标系下静力风荷载的表达式，风轴坐标系下同样可以定义阻力样可以定义阻力FD、升力、升力FL、和扭矩、和扭矩MT，并相应存在阻力，并相应存在阻力系数系数CD、升力系数、升力系数CL与扭矩系数与扭矩系数CM。2HH

40、12FU C D2VV12FU C B22TM12MU C B 2 2风的动力作用风的动力作用 对于大跨度桥梁结构，除了考虑风的静力作用外，还必对于大跨度桥梁结构，除了考虑风的静力作用外，还必须考虑结构风致振动。桥梁作为空间结构，振动现象十分复须考虑结构风致振动。桥梁作为空间结构，振动现象十分复杂，其动力反应是多种因素共同作用的结果。杂，其动力反应是多种因素共同作用的结果。 桥梁风致振动大致可分为两大类：桥梁风致振动大致可分为两大类： 一类是在风的作用下，由于结构振动对空气力的反馈作一类是在风的作用下，由于结构振动对空气力的反馈作用，产生一种自激振动机制，如颤振和驰振达到临界状态时，用，产生一

41、种自激振动机制，如颤振和驰振达到临界状态时，将出现危险的发散振动，即桥梁振幅不断增大，振动不断加将出现危险的发散振动，即桥梁振幅不断增大，振动不断加剧；剧； 另一类是在脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，另一类是在脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，称为抖振。涡激共振虽带有自激的性质，但也是限幅振动，称为抖振。涡激共振虽带有自激的性质，但也是限幅振动，因而具有双重特性。因而具有双重特性。 自激振动是指桥梁在风力的作用下，与流动的气流相互激自激振动是指桥梁在风力的作用下，与流动的气流相互激励而形成的振动，振动结构可以不断从气流中获得能量，以励而形成的振动，振动结构可以不断从气流中获得

42、能量，以抵消结构本身阻尼对振动的衰减作用，使振幅不断加大，将抵消结构本身阻尼对振动的衰减作用，使振幅不断加大，将导致桥梁风毁。导致桥梁风毁。 颤振颤振 当风横向吹过桥梁，桥面板端口部位置于风口上，当风横向吹过桥梁，桥面板端口部位置于风口上，桥面板会产生上下运动和扭转运动，竖向振动和扭转振动相桥面板会产生上下运动和扭转运动，竖向振动和扭转振动相耦合时，引起结构的发散振动称为颤振。颤振是一种空气动耦合时，引起结构的发散振动称为颤振。颤振是一种空气动力失稳现象，易于在柔性平板中出现，力失稳现象，易于在柔性平板中出现，美国塔科玛桥风致破美国塔科玛桥风致破坏就是一种典型的由颤振不稳定引发的事故。坏就是一

43、种典型的由颤振不稳定引发的事故。 驰振驰振 桥梁在横向风作用下，在垂直于气流方向会产生大桥梁在横向风作用下，在垂直于气流方向会产生大振幅弯曲振动，称为驰振。驰振一旦发生便成为剧烈振动，振幅弯曲振动，称为驰振。驰振一旦发生便成为剧烈振动，实际上也是一种空气动力失稳现象。自激发散振动对桥梁危实际上也是一种空气动力失稳现象。自激发散振动对桥梁危害最大。害最大。美国塔科玛桥风致破坏就是一种由颤振引发的事故美国塔科玛桥风致破坏就是一种由颤振引发的事故 涡振涡振 涡激振动是由于气流绕过物体时，物体尾流中产生涡激振动是由于气流绕过物体时，物体尾流中产生交替脱落的旋涡，从而出现周期性的涡激力。涡激振动虽然交替

44、脱落的旋涡，从而出现周期性的涡激力。涡激振动虽然也带有自激性质，但它和颤振和驰振的发散性振动不同，其也带有自激性质，但它和颤振和驰振的发散性振动不同，其振动响应是一种限幅振动。振动响应是一种限幅振动。 抖振抖振 当一个结构物处于另一个结构物的涡列之中，大气紊当一个结构物处于另一个结构物的涡列之中，大气紊流成份会激发出不规则的强迫振动，称为抖振。抖振发生时流成份会激发出不规则的强迫振动，称为抖振。抖振发生时的风速低，频度大，会对杆件接头、支座连接造成疲劳破坏，的风速低，频度大，会对杆件接头、支座连接造成疲劳破坏，过大的抖振还会引起桥上人员不适，影响正常使用。过大的抖振还会引起桥上人员不适，影响正

45、常使用。 涡振和抖振均属限幅振动可在低风速下发生，不具备破坏涡振和抖振均属限幅振动可在低风速下发生，不具备破坏性，通常可通过构造措施解决。性，通常可通过构造措施解决。上海杨浦大桥缆索涡振上海杨浦大桥缆索涡振和风雨振使得索套破坏和风雨振使得索套破坏九江长江大桥钢拱九江长江大桥钢拱吊杆发生涡激共振吊杆发生涡激共振 洞庭湖大桥拉索风雨振动控制装置洞庭湖大桥拉索风雨振动控制装置 综合上述桥梁结构的风力作用及风致振动类型，表综合上述桥梁结构的风力作用及风致振动类型，表4.174.17列出列出了风对桥梁作用的具体分类。了风对桥梁作用的具体分类。表4.17 风对桥梁的作用的分类分类分类现象现象作用机制作用机

46、制静力静力作用作用静风载引起的内力和变形静风载引起的内力和变形平均风的静风压产生阻力、升平均风的静风压产生阻力、升力和扭转力矩作用力和扭转力矩作用静力不稳定静力不稳定扭转发散扭转发散静（扭转）力矩作用静（扭转）力矩作用横向屈曲横向屈曲静阻力作用静阻力作用动力动力作用作用抖振（紊流风响应）抖振（紊流风响应）限幅振动限幅振动紊流风作用紊流风作用自激自激振动振动涡振涡振漩涡脱落引起的涡激力作用漩涡脱落引起的涡激力作用驰振驰振单自由度单自由度发散发散振动振动自激力的气动负阻尼效应阻自激力的气动负阻尼效应阻尼振动尼振动扭转颤振扭转颤振古典耦合振动古典耦合振动二自由度二自由度自激力的气动刚度驱动自激力的气

47、动刚度驱动 4.7.2 4.7.2 风致静力失稳风致静力失稳 在静力风荷载作用下，大跨度桥梁有可能发生因气动力矩在静力风荷载作用下，大跨度桥梁有可能发生因气动力矩过大而引起扭转发散，或因风阻力荷载过大而导致横向屈曲过大而引起扭转发散，或因风阻力荷载过大而导致横向屈曲的静力失稳现象。的静力失稳现象。 以扭转发散为例，主梁在风力作用下会产生气动扭矩并发以扭转发散为例，主梁在风力作用下会产生气动扭矩并发生扭转，主梁的扭转使得主梁在风场中的有效攻角增大，如生扭转，主梁的扭转使得主梁在风场中的有效攻角增大，如果主梁的扭转力系数随风攻角增大而增大，此时对应的主梁果主梁的扭转力系数随风攻角增大而增大，此时对

48、应的主梁气动扭矩也随之增大。在某一临界风速时，桥梁出现不稳定气动扭矩也随之增大。在某一临界风速时，桥梁出现不稳定的扭转发散现象。的扭转发散现象。图图4.27 4.27 主梁断面受力示意主梁断面受力示意4.7.3 4.7.3 静力风荷载计算静力风荷载计算 作用于桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平作用于桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要计算对象。当计算桥梁的强度和稳定风力最为危险，是主要计算对象。当计算桥梁的强度和稳定时，时，公路桥规公路桥规给出了横向及纵向风力的计算方法。给出了横向及纵向风力的计算方法。 1. 1. 横向风力（横桥方向）横向风力（横桥方向）

49、 横桥方向风力等于横向风压乘以迎风面积，按下式确定：横桥方向风力等于横向风压乘以迎风面积，按下式确定： (4.54) (4.54a) (4.54b) (4.54c)wh0 1 3dwhFk k k W A2dd2VWgd25 10Vk k VZe0001. 0012017. 0式中：式中：Fwh横桥向风荷载标准值（横桥向风荷载标准值（kN）；）； Wd设计基准风压（设计基准风压（kN/m2）；）； Awh横向迎风面积（横向迎风面积（m2），按桥跨结构各部分的实），按桥跨结构各部分的实 际尺寸计算；际尺寸计算； V10桥梁所在地区的设计基本风速（桥梁所在地区的设计基本风速（m/s）；）； Vd高

50、度高度z处的设计基准风速（处的设计基准风速（m/s）；）； Z距地面或水面的高度（距地面或水面的高度（m）；）； 空气重力密度（空气重力密度（kN/m3）；）； g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2； k0设计风速重现期换算系数；设计风速重现期换算系数； k1风载阻力系数；风载阻力系数； k2考虑地面粗糙度和梯度风风速高度变化修正系数；考虑地面粗糙度和梯度风风速高度变化修正系数； k3地形、地理条件系数；地形、地理条件系数； k5阵风风速系数。阵风风速系数。 （1 1）基本风速）基本风速 基本风速系按平坦空旷地面，离地面基本风速系按平坦空旷地面，离地面10m高，重现期为高，重现期为1

51、00年年10min平均最大风速计算确定，当桥梁所在地区缺乏风平均最大风速计算确定，当桥梁所在地区缺乏风速观测资料时，速观测资料时，V10可参照可参照公路桥规公路桥规附录附录A“全国基本风全国基本风速图及全国各气象台站基本风速和基本风压值速图及全国各气象台站基本风速和基本风压值”的有关数据，的有关数据，并通过实地调查核实后采用。并通过实地调查核实后采用。 （2 2）设计风速重现期换算系数）设计风速重现期换算系数 公路桥规公路桥规中的基本风速值是按照设计风速重现期为中的基本风速值是按照设计风速重现期为100年绘制的。根据桥梁重要性的不同应考虑不同的风速重现期，年绘制的。根据桥梁重要性的不同应考虑不

52、同的风速重现期，对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁，对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁，k0=1.0，对其他，对其他桥梁，桥梁，k0=0.9；对施工架设期桥梁，；对施工架设期桥梁，k0=0.75；当桥梁位于台；当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适度提高风多发地区时，可根据实际情况适度提高k0值。值。 （3 3）阵风风速系数）阵风风速系数 阵风风速系数是考虑到瞬时风速较平均风速大而乘的系阵风风速系数是考虑到瞬时风速较平均风速大而乘的系数，反映时距为数，反映时距为13s的瞬时风速与时距的瞬时风速与时距10min的平均风速的的平均风速的关系系数。关系系数。 对对A、B类地表类地表k5=1.

53、38，对，对C、D类地表类地表k5=1.70。A、B、C、D地表类别对应的地表状况见表地表类别对应的地表状况见表4.18。表表4.18 4.18 地表分类及相关参数指标地表分类及相关参数指标地表类别地表类别地表状况地表状况地表粗糙度系数地表粗糙度系数a a梯度风高度梯度风高度(m)(m)A A海面、海岸、开阔水面海面、海岸、开阔水面0.120.12300300B B田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区地区0.160.16350350C C树木及低层建筑物等密集地区、中高树木及低层建筑物等密集地区、中高层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地0.220.22400400D D中高层建筑物密集地区、起伏较大的中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地丘陵地0.300.30450450（4 4）风载阻力系数）风载阻力系数 风载阻力系数是指作用在桥梁表面实际平均压力与来流风风载阻力系数是指作用在桥梁表面实际平均压力与来流风压之比，该系数与桥梁体型、构件断面形成等因素有关。根压之比，该系数与桥梁体型、构件断面形成等因素有关。