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第4章
大跨度桥梁空气动力学
本章主要介绍了桥面气动力的计算公式，包括静力分量，准稳态和非稳态气动力以及瞬态力，其次是各种类型的桥梁风振响应，包括颤振的气动不稳定性和驰振，抖动振动和涡流引起的振荡。
关键词 空气动力bull;抖振bull;颤振bull;驰振bull;涡激
4.1简介
风一直以有利和不利的方式对人的活动产生强烈的影响。 如果在绿荫下没有柔和的微风，炎热的夏日将变得无法忍受; 但相同程度的微风可能会成为危及生命的天气。 由于风的影响，人类历史早期的海外贸易发展成为可能。 同时，他们完全意识到，如果这些船运气不好，这些船将会遭受强风暴的折磨。 因此，自古以来，风就一直是房屋和城镇设计以及通风和冷却方面的重要因素，尤其是在温暖潮湿的地区，这并不奇怪。
表4.1 John Smeaton的风力表（1759）
|
Miles/hour |
Feet/second |
avoirdupois |
of winds |
|
1 |
1.47 |
0.005 |
Hardly perceptible |
|
2 |
2.93 |
0.020 |
Just perceptible |
|
3 |
4.40 |
0.044 |
|
|
4 |
5.87 |
0.079 |
Gentle pleasant wind |
|
5 |
7.33 |
0.123 |
|
|
10 |
14.67 |
0.492 |
Pleasant brisk gale |
|
15 |
22.00 |
1.107 |
|
|
20 |
29.34 |
1.968 |
Very brisk |
|
25 |
36.67 |
3.075 |
|
|
30 |
44.01 |
4.429 |
High wind |
|
35 |
51.34 |
6.027 |
|
|
40 |
58.68 |
7.873 |
Very high |
|
45 |
66.01 |
9.963 |
|
|
50 |
73.35 |
12.300 |
A storm or a tempest |
|
60 |
88.02 |
17.715 |
A great storm |
|
80 |
117.36 |
31.490 |
A hurricane |
|
100 |
146.70 |
49.200 |
A hurricane that tears up trees, carries buildings before it, etc. |
4.1.1平均风荷载的第一个转折点
最早提出的为满足工程设计目的的有关风力实践的知识可能是第一位“土木工程师”John Smeaton（1724-1792）直到1759年呈现给伦敦皇家学会的风力表。该表格如表4.1所示，列出的力可以通过一个简单的等式进行汇总。
其中P是风引起的压力（Pa或N / m2），v是垂直于地面的风速（m / s）。 这相当于假设CD的阻力系数为2.0。 请注意，垂直于流量放置的2D平板的CD大约为1.9。
但是，斯梅顿的开创性工作没有得到应有的尊重。 对于更好地理解和认识工程师的风荷载（Biggs 1961）可能没有太多贡献。
4.1.2第二次转向阵风风荷载
在十九世纪之后，锻铁作为一种新的，更可靠的结构材料开始广泛使用。 它导致设计和建造比以前更大的结构。 应用力学的显着进步也支持了这一飞跃。 风荷载信息的需求在此期间变得急剧。 在这种情况下应该理解泰桥倒塌的影响。 没有其他事件给设计工程师带来如此严重的影响，以识别结构上的风荷载而不是这种失效。
泰桥湾是世界上最长的铁路桥，全长3公里。 它由84个跨铁桁架组成，其中13个跨越水上27米70-75米的桁架跨度。 它由着名的苏格兰铁路工程师Thomas Bouch（1822-1880）设计，由于这项工作，她被维多利亚女王授予爵位。 不幸的是，这座桥在1879年12月29日一个暴风雨的夜晚被一场强烈的大风吹倒，仅在它打开两年后，就有一列客运列车，造成75人死亡。 据说那天晚上的风速是30-35米/秒，低于设计风速36米/秒。 崩溃的主要原因是阵风风速或阵风风荷载。
另一方面，福斯铁路大桥和艾菲尔铁塔的成功，是分别于1887年和1889年完工的前两座最大的钢结构，是卓越工程师建立的卓越里程碑。 福斯桥是一座2 488米悬索桥，是当时最长的跨径桥，艾菲尔铁塔是一座300米高的建筑，是世界上最高的人造的结构。 这些巨大的成功也可归因于阵风风荷载，这首先被包括在结构的设计中。 紧随其后的是悬索桥和摩天大楼，特别是在美国到二十世纪上半叶的时代。
4.1.3动态风荷载的第三个转折点
塔科马海峡大桥是当今世界第三跨度最长的桥梁，由Leon Moisseiff设计，Leon Moisseiff在过去的四分之一个世纪中一直使用挠度理论，并在当时美国备受推崇的桥梁设计师之一。即使在桥梁开通前4个月，也经常观察到震动，这引起了F.B.B.教授的注意。华盛顿大学的Farquharson以及其他人。正如他所观察到的那样，桥梁首先经常在第一和第二对称模式中以3-6m / s的轻微风速进行垂直弯曲振动。据称这两种模式下的最大双幅度分别高达0.6米和0.8米。在最终失败的那一天，1940年11月7日，这座桥在第7次对称模式和第8次非对称模式中以18-22米/秒的速度振荡了一段时间。当风速约为19米/秒时，第一次不对称扭转运动突然开始并变得剧烈。侧面运动也增加了。据认为，此时连接主电缆和甲板的弱中心线被卡住。这个事件最值得注意的事情是桥梁不是由静态风载荷而是由动态激励破坏的。 该桥应该承受静态风荷载，达到设计风速，这是该桥被实际破坏的速度的两倍多。 这是因为在设计阶段没有考虑到诱发振动。
|
No. |
Year |
Name of bridge |
Span (ft) |
Wind action |
Designer |
Country |
|
1 |
1818 |
Dryburgh Abbey |
260 |
Static |
John and William Smith |
Scotland |
|
2 |
1821 |
Union |
499 |
Static |
Samuel Brown |
England |
|
3 |
1834 |
Nassau |
245 |
Static |
Lossen and Wolf |
Germany |
|
4 |
1836 |
Brighton Chair Pier |
255 |
Static |
Samuel Brown |
England |
|
5 |
1838 |
Montrose |
432 |
Static |
Samuel Brown |
Scotland |
|
6 |
1839 |
Menai Strait |
580 |
Static |
Thomas Telford |
Welsh |
|
7 |
1852 |
Roche-Beruard |
641 |
Static |
Le Blanc |
France |
|
8 |
1854 |
Wheeling |
1,010 |
Static |
Charles Ellet |
USA |
|
9 |
1864 |
Lewiston-Queenston |
1,041 |
Static |
Edward Serrell |
USA |
|
10 |
1879 |
Firth of Tay |
246 |
Static |
Thomas Bouch |
Scotland |
|
11 |
1889 |
Nigara-Clifton |
1,260 |
Static |
Samuel Keefer |
USA |
|
12 |
1940 |
Tacoma Narrows |
2,800 |
Dynamic |
Leon Mosseiff |
USA |
回顾表4.2中的历史，之前发生过一些桥梁因风而振动的事件。 然而，显然桥梁的动态从未成为桥梁工程师这个非常严肃的话题。
1940年塔科马海峡大桥的倒塌为风动作的结构设计开辟了新的视野。当然，这不是静态问题的终结，但随着结构的跨度和高度的不断增长，对动态的需求不断增长。由于焊接技术的进步，减少由于电子计算机和计算技术的发
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