《土木防灾减灾》第五讲 · 结构抗风(下):涡激共振、高层与桥梁抗风
2026-10-08 课程笔记
0 本讲定位
上一讲把风与地震同归为随机动力作用,给出了大气边界层、基本风压、wk = βz·μs·μz·w0 与"平均风响应 + 脉动风响应(背景 + 共振)“的总框架。本讲沿课件(第5章 工程结构抗风理论与设计)继续推进:
脉动风响应的定量工具 → 顺风向多自由度随机振动分析 → 横风向涡激共振(锁定)
→ 高层建筑抗风设计 → 高耸结构 → 桥梁抗风(静力失稳 + 颤振/驰振/涡振/抖振/拉索振动)
课末进入新单元:建筑结构抗火设计(第15~17讲),先讲火灾历程、升温曲线与耐火极限。
1 脉动风的定量描述(上一讲的公式补全)
1.1 湍流强度与风压高度变化系数
顺风向湍流强度 I(z) = σu(z)/V(z),是描述大气湍流最重要的特征量
规范经验式:I(z) = I10·(z/10)^(−α)
I(z) 随高度 z 增大而减小,随地面粗糙长度减小而减小
风压高度变化系数 μz 的定义:任意地貌 z 高度处平均风压与 B 类地貌 10m 高度处基本风压之比(上一讲只给了定性说法,规范换算式如下):
| 类别 | μz 换算式 | 规范下限 |
|---|---|---|
| A | 1.284·(z/10)^0.24 | μz ≥ 1.09 |
| B | 1.000·(z/10)^0.30 | μz ≥ 1.00 |
| C | 0.544·(z/10)^0.44 | μz ≥ 0.65 |
| D | 0.262·(z/10)^0.60 | μz ≥ 0.51 |
【易错】下限值是"不得取小于"的保底值,不是高度越大的上限;μz 定义以 B 类地貌 10m 高度基本风压为基准,所以 B 类下限恰为 1.00,越粗糙的地貌类别基准值越小(C 0.65、D 0.51)。
1.2 脉动风速谱
- 风速功率谱反映湍流能量在各频率成分的分布。以周期 1h 处分界:左边为宏观气象范围(三个能量峰值,周期约 1y、4d、1d),右边为阵风范围(脉动风),峰值出现在约 1min 处。
- 我国《荷载规范》采用 Davenport 谱:假定湍流积分尺度沿高度不变(取 1200m),对不同高度实测谱取平均得到。
- 湍流积分尺度是气流中湍流漩涡平均尺寸的度量,说明漩涡内两点间相关作用的强弱。
1.3 空间相关性
一点脉动风达最大值时,距它越远的点同时达最大值的可能性越小。距离越近、频率越低、风速越大,相关性越好。
- 高耸结构(烟囱、塔架)细长,一般只考虑竖向相关;高层建筑需同时考虑水平 + 竖向二维相关。
- Shiotani 与频率无关型相干函数:形式简单、只与两点距离有关(我国规范采用);Davenport 型则计入频率与两点平均风速(美国规范采用)。
1.4 准定常假定与适用界限
按准定常假定,脉动风压与来流脉动风速同规律变化:P(t) = P̄ + p′(t),脉动风压系数 ≈ 2Cp·Iu。该假定适用于以受迎风压力为主的高层建筑;对以气流绕流(分流、吸力)为主的大跨度屋盖不再适用,脉动风压须经风洞试验确定。
2 顺风向随机风振响应
2.1 脉动风响应的多自由度解法
脉动风响应按多自由度体系随机振动分析,五步:
① 振型分解法作坐标变换 → ② 计算模态力谱 → ③ 计算模态响应谱
→ ④ 计算系统响应谱 → ⑤ 计算位移响应均方根(RMS)
竖向悬臂结构一般只考虑第一振型;工程上最关心的是顶部 (z=H) 位移与底部 (z=0) 剪力、弯矩。
2.2 背景响应与共振响应
| 成分 | 频带 | 决定因素 |
|---|---|---|
| 背景响应 | 低频脉动 | 主要由风力谱决定:来流低频成分使结构准静态起伏 |
| 共振响应 | 结构自振频率附近 | 主要由结构自身动力特性决定:谱峰远高于背景响应,阻尼越小放大越显著 |
【考点】结构基本频率落入激励频带即发生共振——这是高层建筑必须计入风振的机理。
2.3 风振系数法
考虑顺风向风振的条件(规范条文):高度大于 30m 且高宽比大于 1.5 的房屋,以及基本自振周期 T1 大于 0.25s 的各种高耸结构。
风荷载标准值两种等价表达:平均风压 + 脉动引起的等效风压,或平均风压 × 风振系数:
wk = βz·μs·μz·w0
βz = 1 + 2g·I10·Bz·√(1 + R²) (g 为峰值因子,取 2.5)
R:脉动风荷载共振分量因子(含结构频率与阻尼比)
Bz:背景分量因子 = k·H^a1·ρx·ρz·φ1(z)/(μz·uz)
背景分量因子中的系数按地面粗糙度类别查表:
| 结构类型 | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| 高层建筑 k | 0.944 | 0.670 | 0.295 | 0.112 |
| 高层建筑 a1 | 0.155 | 0.187 | 0.261 | 0.346 |
| 高耸结构 k | 1.276 | 0.910 | 0.404 | 0.155 |
| 高耸结构 a1 | 0.186 | 0.218 | 0.292 | 0.376 |
宽高沿高度按直线(或接近直线)变化的高耸结构,Bz 还应乘修正系数 θB(z 高度宽度与底部宽度之比)与 θv:
| B(H)/B(0) | 1 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | ≤0.1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| θv | 1.00 | 1.10 | 1.20 | 1.32 | 1.50 | 1.75 | 2.08 | 2.53 | 3.30 | 60 |
【选择题考点】“30m + 高宽比 1.5"与"T1>0.25s"两组条件分别对应房屋与高耸结构;βz 式中 g=2.5。
3 横风向涡激共振
3.1 机理与三类雷诺数区间
风流经钝体时在物体两侧产生交替脱落的旋涡,形成与风向垂直的周期性力,即涡激振动。多数情况下涡激振动小于顺风向振动;只在某一特定风速范围内,旋涡脱落频率接近结构自振频率时变得显著,称为涡激共振——对桥梁、高层、高耸、输电塔架等细长结构危害最大。
涡激共振随雷诺数 Re 呈不同特征:
| 区间 | Re 范围 | 特征 | 处理 |
|---|---|---|---|
| 亚临界 | 3.0×10² ≤ Re < 3.0×10⁵ | 风速低,影响正常使用、不至于破坏 | 构造处理:调整结构布置、改变自振周期、控制临界风速 |
| 超临界 | 3.0×10⁵ ≤ Re < 3.5×10⁶ | 漩涡脱落无明显周期,横向振动呈随机性 | 通常横风向随机振动远小于顺风向,不予处理 |
| 跨临界 | Re ≥ 3.5×10⁶ | 脱落重新出现大致规则性,频率接近自振频率即剧烈共振 | 必须作横风向风振验算 |
课堂实例(改变自振周期的思路):悬臂式高层若自振周期偏大、与涡脱频率耦合,可用**刚度较大的部分作填充(筒体等)**增大结构刚度、把特征频率移开,破坏共振条件——与抗震中"周期错开卓越周期"同理。
3.2 斯脱罗哈数与锁定
St = fs·D/v fs—旋涡脱落频率,D—截面特征尺寸,v—平均风速
St 为无量纲参数,取决于截面形状(圆形、半圆形、正方形、矩形、等腰/直角三角形、主梁截面、圆管等各不相同),数值由风洞试验或数值模拟确定。
锁定(lock-in):对特定结构,脱落频率本应与风速成正比增大;但一旦结构发生共振,结构自振频率反过来"控制"旋涡脱落频率,使其在一段风速范围内不再随风速改变——即使名义 St 频率已偏离自振频率百分之几,脱落仍被锁定。
3.3 涡激共振判定
发生横风向涡激共振须同时满足两个条件:
- 结构高度范围内存在共振区:顶点风速大于临界风速;
- 发生强风共振:结构处于跨临界区。
与某振型对应的临界风速:
Vcr,j = B(z)·fj / St fj—该阶自振频率
B(z) 取垂直于来流方向的结构截面宽度沿高度的(最大)特征值;截面沿高度收分缓慢时按规范近似取等效宽度。
【易错】锁定区内"脱落频率 = 结构频率"而非"结构频率 = 风速的函数”;判定涡激共振要先看风速沿高度是否穿越临界风速,再看 Re 区间。
4 高层建筑抗风设计
4.1 界定
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010):10 层及 10 层以上或房屋高度大于 28m 的住宅,以及房屋高度大于 24m 的其他高层民用建筑混凝土结构;高度大于 100m 的民用建筑称超高层。
4.2 三项设计要求
| 要求 | 内容 |
|---|---|
| 强度 | σ ≤ fy:风作用下构件应力不超过材料强度 |
| 刚度 | 正常使用下避免过大侧移影响承载力、稳定与使用;侧移 = 顶点位移 + 层间位移 |
| 舒适度 | 高度增大→侧移刚度与阻尼比减小→强风下振动引起居住者不适,规范限制顺风向/横风向峰值加速度(并限制扭转角速度) |
补充两条原则:
- 顺风向风力 = 平均静风力(作用于受风面积中心)+ 脉动风力(作用于质量中心);不致扭转须刚度中心、受风面积中心、质量中心三心一致。
- 抗风按弹性计算,不考虑塑性变形(区别于抗震的弹塑性设防)。
层间位移 Δμ/H 与顶点位移 μ/H 的风荷载限值(括弧外用于钢筋混凝土结构、括弧内用于钢结构;混凝土结构因易开裂,位移计算还需乘刚度折减系数):
| 结构类型 | 层间位移限值 | 顶点位移限值 |
|---|---|---|
| 框架(实心砖填充墙) | 1/400(1/400) | 1/450(1/500) |
| 框架(空心砖填充墙) | 1/500(1/400) | 1/500(1/500) |
| 框架—剪力墙 | 1/600(1/400) | 1/800(1/500) |
| 剪力墙 | 1/800(1/400) | 1/1000(1/500) |
| 筒体 | 1/700(1/400) | 1/900(1/500) |
舒适度限值(课件所列国内外规范建议值):
| 指标 | 旅馆、公寓 | 办公楼 |
|---|---|---|
| 弯曲振动加速度 (m/s²) | 0.20 | 0.30 |
| 扭转振动角速度 (rad/s) | 0.001 | 0.001 |
【考点】弯曲振动以加速度为度量、扭转振动以角速度为度量;振幅与频率到达某组合时人产生不舒适感。
4.3 静力风效应:体型系数与群体干扰
- 平面形状决定表面风压分布:迎风面为压力(约 +0.6~+1.0),侧风面与背风面为吸力(约 −0.5~−0.75);正多边形、Y 形、L 形、十字形、π 形平面各面数值不同。
- 群体风干扰:CBD 密集高层建筑群须考虑相互干扰,把单栋体型系数乘相互干扰系数 η(按基底弯矩定义 η = RG/RS)。《荷载规范》建议:矩形平面、施扰与受扰建筑高度相似时,顺风向荷载可取 1.00~1.10,横风向可取 1.00~1.20;其他情况参考类似风洞试验资料,重要建筑应做风洞试验。
4.4 横风向风振
横风向风振的激励比顺风向复杂得多,三类来源:
尾流激励(旋涡脱落)+ 横风向紊流激励 + 气动弹性激励(建筑振动与风的耦合)
是否考虑要结合高度、高宽比、自振频率、阻尼比并借鉴工程经验判断。经验界限:
- 高度 >150m 或高宽比 >5 的高层建筑;
- 高度 >30m 且高宽比 >4 的圆形截面构筑物——出现明显横风向风振效应,宜计入。
体型复杂者横风向等效风荷载宜经风洞试验确定;简单圆形/矩形截面可按《荷载规范》公式。
4.5 扭转风振
- 成因:质心、形心、刚心与脉动风合力作用点不重合;平面形状不规则(屈曲凹角)→ 风致扭矩大 → 扭转响应大。
- 规范规定:高度超过 150m、且同时满足高宽比、扭转/平动周期与风速之比、厚宽比等一组条件的若干类高层建筑,宜考虑扭转风振;等效风荷载标准值按
wTK = 1.8·g·w0·μH·C′T·(z/H)^0.9·√(1 + RT²)
取值(μH 为屋顶高度风压高度变化系数,C′T 扭矩系数按表格查用,RT 为扭矩共振因子)。
- 三条使用规则:① 由 wTK 求风力扭矩时乘迎风面宽度(TTk = wTK·B²);② 刚度或质量的偏心率 > 0.2 时弯扭耦合显著,不能再用此简化方法;③ 长细与周期比超限(H/(DB)>6 或 TT1·UH/DB>10)时风致扭矩与横风向风力强相关、易发气动弹性失稳,须风洞试验专门研究。
4.6 风效应组合与舒适度
顺风向风荷载、横风向风振等效荷载、扭转风振等效荷载同时存在,但三者最大值不一定同时出现,工程按下列工况组合(单位高度):
FDk = (wk1 − wk2)·B 顺风向:迎风—背风压差 × 宽度
FLk = wLk·B 横风向:等效风压 × 宽度
TTk = wTk·B² 扭转:等效风压 × 宽度平方
组合工况:仅顺风向/顺风向+横风向等效/仅扭转等效等
舒适度验算:顶点顺风向峰值加速度由风荷载标准值的动力部分除以质量得到,a = Pd/m(仅考虑第一振型时按振型积分公式);超过 4.2 节限值即调整刚度、阻尼或气动外形。
5 高耸结构抗风设计
- 高耸结构 = 高度较大、横截面相对较小、以风等水平荷载为设计主要依据的结构,称塔桅结构:自立式塔式 + 拉线式桅式。
- 设计要求四项:强度(风载下主体不破坏,取决于许用应力)、刚度(参照《高耸结构设计规范》GB 50135-2006)、舒适度与适用度(设观光等居人设施时,脉动风下顶点加速度幅值不大于 0.2 m/s²)。
- 基本风压按 50 年一遇且不小于 0.35 kN/m²;应考虑脉动风引起的风振,但T1 < 0.25s 时可不考虑风振。
- 体型系数三级取用原则:《荷载规范》GB 50009 已列出的按 GB 50009;未列出但与高耸规范表 4.2.7 体型相似的按表 4.2.7;两者都不符、无参考资料或特别重要、体型复杂的,经风洞试验确定。
【考点】基本风压下限 0.35 kN/m² 与 T1=0.25s 界限:一个管"取多大风压”,一个管"算不算风振"。
6 桥梁抗风(桥梁风工程)
6.1 引子与研究方法
1940 年 11 月 7 日,美国华盛顿州建成仅 4 个月的塔科马海峡悬索桥在约 19 m/s 风速下发生强烈风致振动破坏——由此形成桥梁工程与空气动力学的交叉学科"桥梁风工程",近 60 年日趋成熟。四大研究手段:
| 方法 | 定位 | 关键点 |
|---|---|---|
| 理论分析 | 基础 | 进一步发展仍待基本理论突破 |
| 数值分析(CFD/有限元) | 广泛应用 | 依赖正确数学模型与合适算法 |
| 风洞试验 | 最常用手段 | 相似比难同时满足;结果须与现场实测对比 |
| 现场实测(足尺) | 最可靠 | SHMS(健康监测)采环境与振动数据,反过来验证前三者 |
6.2 风对桥梁作用分类与设计准则
| 类别 | 现象 | 机制 | 设计准则 |
|---|---|---|---|
| 静力作用 | 静力风荷载(内力和变形) | 平均风静风压产生阻力、升力、力矩 | 视作静荷载,与恒载、其他活载组合后常规分析 |
| 静力不稳定 | 扭转发散、横向屈曲 | 静(扭)力矩与静阻力作用 | 临界风速 > 桥梁设计风速 |
| 动力·限幅振动 | 抖振、涡振 | 紊流风作用;旋涡脱落涡激力 | 最大振幅限制在可接受范围内 |
| 动力·自激振动 | 驰振、扭转颤振 | 自激力的气动负阻尼效应(阻尼驱动),单自由度发散 | 临界风速 > 设计风速 |
| 动力·自激振动 | 古典耦合颤振 | 二自由度耦合(课件注:气动刚度驱动) | 同上 |
【考点】桥梁抗风"两类三条":三分力组合验算、失稳类看临界风速、限幅类看振幅;静力失稳前征兆小、事故发生快、破坏性更大。
6.3 静力三分力与构件风荷载
主梁在体轴坐标系下的"静力三分力":
FH = ½ρU²·CH(α0)·H 阻力(梁高 H 计)
FV = ½ρU²·CV(α0)·B 升力(梁宽 B 计)
FM = ½ρU²·CM(α0)·B² 力矩(B² 计)
风洞节段模型多测得风轴坐标系三分量 L、D、M(含风攻角 α0),经旋转变换与体轴三分力互算;CH/CM 等系数由节段模型试验测定。桥塔、拉索、桥墩等细高构件静风荷载只计阻力:
FH = ½ρVg²·CH·An An—顺风向投影面积
CH 按行业标准《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004)取值;吊杆、斜拉索、悬索桥主缆的 An 取直径 × 投影高度;断面复杂的桥墩桥塔经风洞试验或数值模拟确定。
6.4 风致静力失稳
- 扭转发散:空气静力扭矩作用下,风速超过临界值时主梁突然出现不稳定扭转发散。
- 横向屈曲:大跨度拱桥静风荷载以阻力为主、对主拱/加劲梁变形依赖不强,失稳表现为主拱侧向屈曲。
- 小跨度斜拉桥、悬索桥的静力失稳临界风速一般大于设计风速或颤振临界风速,问题不突出;跨度与桥面宽度增大后临界风速显著降低,超大跨桥梁静风稳定问题仍需研究。
- 《公路桥梁抗风设计规范》:主跨大于 400m 的斜拉桥、大于 600m 的悬索桥应验算静风稳定性(该规范适用于主跨 800m 以下斜拉桥、主跨 1500m 以下悬索桥)。
- 屈曲/发散验算式给出
V1b = K1b·γft·γB ≥ 2Vd、Vtd = Ktd·γft·γB ≥ 2Vd,涉及竖向/扭转基频、扭弯频率比、质量与惯矩、升力/力矩曲线在 0° 攻角的斜率等参数,宜由风洞试验或数值模拟确定。
6.5 驰振
细长物体因气流自激产生的纯弯曲大幅振动,最先发现于结冰的输电导线:振动波在两座电杆间快速传递如快马奔腾,振幅可达线径 10 倍。桥梁上可能发生在斜拉索、吊杆、超高桥塔。
运动方程:m(ÿ + 2ζωẏ + ω²y) = −½ρU²B(CL′ + CD)·ẏ/U
d = 2mζω + ½ρUB(CL′ + CD) d—系统净阻尼
d < 0 → 不稳定:CD 恒为正,故 CL′ = dCL/dα < 0(升力曲线负斜率)时才可能驰振
驰振临界风速 Vcg = 4mζsω1 / [½ρH(CL′ + CD)] ≥ 1.2Vd
| 要点 | 内容 |
|---|---|
| 验算对象 | 高宽比 B/H < 4 的钢主梁、斜拉桥与悬索桥钢质桥塔(自立状态) |
| 截面判定 | 矩形等钝体:升力曲线负斜率 → 可发散驰振;圆形、八角形截面:斜率为正 → 稳定截面 |
| 构造对策 | 塔柱高而细长应作倒角处理;施工阶段独塔状态特别注意;结冰拉索亦可能驰振 |
| 抵抗措施 | ①塔顶装 TMD 提高阻尼比;②矩形截面倒角,降低升力曲线斜率;③加大刚度、提高弯曲频率;④加大质量与阻尼(混凝土塔阻尼比大于钢塔) |
课堂演示(试验视频):弹性悬挂节段模型在无抑制装置时驰振曲线迅速发散;在顶部加装 TMD(调谐质量阻尼摆)后振动被完全改变、振幅收敛——“改变品质"即消灭驰振。
6.6 颤振
基本特征四条:弯扭复合振动且以扭转为主;发散性自激振动;均匀流场即可发生;可能有明显的临界风速点。设计准则:颤振临界风速大于桥梁设计风速。
自激力是非定常的,一般只需考虑升力与力矩,采用 Scanlan 表达式:
L、M ∝ ½ρU²(2B, 2B²)[K H1*·ḣ/U + K H2*·Bα̇/U + K²H3*·α + K²H4*·h/U]
Hi*、Ai*(i=1..4)称颤振导数/气动导数:与截面形状有关,
是无量纲频率 K = Bω/U 的函数,由节段模型风洞试验或 CFD 模拟得到
【易错】驰振与颤振都是发散振动,但驰振是单自由度纯弯曲、需紊流/覆冰等条件;颤振是弯扭耦合的自激、均匀流即可发生,且由颤振导数描述。
6.7 涡振(桥梁)
特点三条:限幅性(较低风速下发生、振幅有限)、锁定性(只在某一风速区间内)、表现为弯曲或扭转。丹麦大带桥(大海峡带桥)主梁涡激振动为典型实例——振幅与桥宽相比很小、但肉眼可见,“有限幅值的锁定性振动”。
发生风速:竖向 Vcvh = 2.0·fb·B;扭转 Vcvθ = 1.33·ft·B
《公路桥梁抗风设计规范》:混凝土桥梁或结构基频大于 5Hz 的桥梁可不考虑涡激共振;钢桥或钢质桥塔宜经风洞试验作涡激振动测试,准则是把最大振幅限制在可接受范围。
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 易发桥型 | 钢箱梁桥、钢—混结合边主梁桥 |
| 易发构件 | 检修轨道、分离双箱主梁 |
| 事前改进 | 截面气动优化:风嘴、导流板、稳定板、水平翼板;调整检修轨道位置 |
| 事后措施 | TMD 减振;有人研究主动控制 |
案例:东京湾跨海通道桥出现明显涡激共振,增设 16 台 TMD 后振幅控制在 5cm。
6.8 抖振
- 性质:强迫振动、不可避免(紊流成分直接作用);危及施工人员与机械安全、行车安全,并存在疲劳问题。泰州大桥主梁竖向抖振响应时程为课件实例。
- 《公路桥梁抗风设计规范》:判断桥梁对风敏感时,应经风洞试验或数值模拟测气动力参数作抖振响应分析;必要时做全桥气动弹性模型试验。
- 随机响应两种算法:
| 方法 | 原理 | 前提/能力 |
|---|---|---|
| 频域法 | 傅里叶变换,由激励统计特性定响应统计特性 | 结构线性 + 激励平稳随机;简单高效 |
| 时域法 | 模拟随机荷载时程,动力有限元逐步积分 | 可计气动力非线性、大跨柔性结构几何非线性;近年渐成主流 |
时域方程:M·Ẍ + C·Ẋ + K·X = FG + Fst + Fb(t) + Fse(t)
(静力风荷载+阵风/抖振力+自激力)
6.9 拉索振动与减振
斜拉索风致振动四类:
| 类型 | 机理 |
|---|---|
| 涡激共振 | 气流绕过拉索上下侧产生旋涡,脱落频率接近索某阶横向固有频率时横风向共振 |
| 尾流驰振 | 两索沿风向斜列时,下游索比上游索更激烈的风致振动 |
| 风雨激振 | 风雨交加时风、雨联合作用;频率低、振幅大,至今没有完善的计算理论 |
| 参数激振 | 地震、风、车辆使桥塔与主梁按一定频率振动,拉索两端随之运动(移动边界条件)引起索的参振,大跨铁路斜拉桥突出 |
减振措施分永久 / 临时两级:
永久减振:气动控制(改变索表面气动性能):PE 护套压制凹坑、缠绕螺旋线——打乱规律性旋涡脱落
结构控制:辅助索(改变索组频率避开激励)——诺曼底大桥经典做法
机械控制:橡胶阻尼器、液压/油阻尼器、磁流变阻尼器
临时减振:动力减振锤、索端联结杆(施工期附加约束)
【选择题考点】“破坏规则旋涡"靠表面凹坑/螺旋线;“改频率"靠辅助索;“加耗散"靠阻尼器;风雨振无完善理论——四句话对应四种对策。
7 课堂案例:港珠澳大桥(纪录片放映)
- 耐久性威胁:结构在海洋环境中最大的长期威胁除风浪外还有氯盐侵蚀。1987 年放置海边的钢筋混凝土试件,20 余年取出后可见侵蚀已达钢筋表面并引起锈蚀,锈蚀膨胀→混凝土开裂剥落→结构失效——对设计寿命 120 年的大桥是巨大危险,基础与承台的长寿命防护由此成为关键课题。
- 隔震选材:落锤对比演示——普通橡胶块回弹、能量不耗散;高阻尼橡胶试件落地后能量经分子间作用耗散。正式开工前通过试验为桥梁寻找最优橡胶减振(隔震)方案。
- 涡振治理:桥位临近机场航线,索塔改为陆上预制后整体吊装的施工方案;建设团队在风洞实验室按比例段模型复现风场:约 16 m/s 风速下主梁涡激振幅可达 40cm 量级,影响行车舒适并引发疲劳;在梁边增设高约 2.5m、宽约 1m 的导流装置后,振幅降至厘米级。
- 沉管隧道:管节在工厂预制,单节宽 37.95m,运装对航道、能见度(驾驶视线被 40m 高构件遮挡)与海事组织提出极端挑战——防灾设计贯穿建设全过程的例证。
8 抗火单元开篇(第15~17讲)
单元框架六部分:建筑火灾基本知识 → 钢与混凝土高温材性 → 结构抗火设计一般原则与方法 → 钢结构构件抗火计算与设计 → 混凝土构件抗火计算与设计 → 抗火研究发展趋势。
8.1 建筑火灾历程
初期增长阶段:燃烧面积小、限于室内局部,温度不高、烟少而流动慢
全盛阶段:室内温度达到最高
衰退阶段:可燃物烧尽或空气耗尽,火焰渐灭;室内温度降至最高温差的 80% 以下
火灾发展模型(式 6-1):确定火灾增长系数、最大热释放速率、火灾持续时间三参数即可定量描述全过程。
8.2 升温曲线三类
| 曲线 | 出处/参数 | 适用 |
|---|---|---|
| ISO834 标准火灾升温曲线 | 我国《建筑构件耐火试验方法》GB/T 9978 推荐;升温段 T−T0 = 345·lg(8t+1);降温段按火灾持续时间分三档速率(≤30min 时 −10.417℃/min,30~120min 线性过渡,≥120min 时 −4.167℃/min) | 构件耐火试验、耐火极限统一基准 |
| 大空间建筑火灾升温曲线 | 我国 CECS 200:2006《建筑钢结构防火技术规范》推荐的经验式(基于场模型参数分析) | 高度 ≥6m、独立空间楼面面积 ≥500m²;火源面积远小于楼面,称局部火灾 |
| BFD 曲线 | Barnett 基于 142 次自然火灾试验提出;由 Tmax、达到最高温度时间 tm、形状系数 Sc 三参数确定 | 能较好反映自然火灾温度特性 |
8.3 耐火极限
两层含义:构件在标准升温试验中失去承载力(稳定性)、完整性、隔热性所经历的时间——构件耐火能力的物理表征;以规范条文形式给出的时间指标要求。
现行《建筑设计防火规范》规定,构件耐火极限要求主要由建筑的耐火等级、构件的重要性、构件类型三种因素确定,与构件所用材料(理论上)无关——材料的影响放在验算环节处理。
8.4 火灾下钢构件升温(入门)
- 无防火保护钢构件:表 6-1 给出 ISO834 标准升温下的构件温度,唯一参数是截面形状系数 F/V(构件表面积/体积)——截面越"薄而宽”、F/V 越大,升温越快。
- 轻质防火保护层:满足式 6-9 判别的保护层可忽略蓄热,按拟合公式直接算钢温(t≤600℃ 范围)。
- 非轻质保护层:按式 6-11 计算钢温增量 ΔTs。
- 湿性保护层:层内含自由水,升温时水分蒸发吸热——构件温度达 100℃ 即停升,直至水分蒸发完毕,采用近似方法处理。
【易错】“耐火极限要求与材料无关"指规范条文的确定逻辑(按建筑类别、重要性、构件类型定时间指标);而材料高温性能决定构件能否达到该指标,两件事不可混为一谈。
9 复习要点总结
必背知识点:
- 脉动风三要素:湍流强度 I(z)=I10(z/10)^(−α);Davenport 谱(积分尺度 1200m,1h 分界,阵风峰 1min);相干函数中国用 Shiotani(与频率无关)
- 顺风向风振:房屋 >30m 且高宽比 >1.5、高耸结构 T1>0.25s 须考虑;βz=1+2gI10Bz√(1+R²),g=2.5;多自由度五步(振型分解→模态力谱→模态响应谱→系统响应谱→均方根)
- 涡激共振:St=fs·D/v 只与截面形状有关;锁定=结构频率控制脱落频率;判定两条件(顶点风速超临界风速 + 跨临界区);Vcr=B(z)fj/St;三区间(亚临界构造处理、超临界不处理、跨临界验算)
- 高层抗风:10层/28m/24m 与 100m 超高层;强度-刚度-舒适度三要求,弹性设计,三心一致;位移限值表(括弧外砼、括弧内钢);加速度限值 0.2(旅馆公寓)/0.3(办公)m/s²、角速度 0.001 rad/s
- 横风向与扭转:激励三类(尾流、紊流、气动弹性);>150m 或高宽比>5、圆形截面 >30m 且高宽比>4 宜考虑;偏心率>0.2 停用简化扭转等效荷载;组合工况 FDk/FLk/TTk(TTk=wTk·B²)
- 高耸结构:塔桅两类;基本风压 50 年一遇且 ≥0.35kN/m²;T1<0.25s 不计风振;居人设施加速度 ≤0.2m/s²
- 桥梁抗风分类表:静力作用/静力失稳(发散+屈曲)/限幅振动(抖振、涡振)/自激振动(驰振、颤振);准则三条:组合验算、临界风速>设计风速(V≥2Vd;Vcg≥1.2Vd)、限幅
- 驰振:CL′<0(升力曲线负斜率)才可能;圆形八角形为稳定截面;四措施(TMD/倒角/加刚度/加质量阻尼)
- 颤振:弯扭复合以扭转为主、发散、均匀流可发生、有临界风速;Scanlan 八导数、K=Bω/U
- 涡振(桥):限幅+锁定;Vcvh=2.0fbB、Vcvθ=1.33ftB;砼桥或基频>5Hz 免算;东京湾通道桥 16 台 TMD→5cm
- 拉索:涡激/尾流驰振/风雨振(无完善理论)/参数振;减振:气动(PE 凹坑、螺旋线)、结构(辅助索)、机械(阻尼器)、临时(减振锤、索端联结杆)
- 火灾三阶段(衰退判据:降至最高温差的 80% 以下);三升温曲线(ISO834、CECS200:2006 大空间 6m/500m²、BFD 142 次);耐火极限两层含义与三因素
重要案例:
- 塔科马海峡大桥(1940-11-07,建成 4 个月,约 19m/s 风致振动破坏)→ 桥梁风工程诞生
- 丹麦大带桥主梁涡激振动(限幅、锁定性的直观教材)
- 东京湾跨海通道桥:明显涡激共振,增设 16 台 TMD 后振幅压至 5cm
- 泰州大桥抖振响应时程;诺曼底大桥辅助索减振
- 港珠澳大桥:120 年寿命下氯盐侵蚀(20 年试件)、高阻尼橡胶隔震、16m/s 下 40cm 涡振经导流装置治理、37.95m 宽沉管预制
易错点提醒:
- 背景响应低频、由风谱定;共振响应在结构自振频率处、谱峰远高于背景——两者都在"脉动风响应"之内,平均风响应是静力成分
- 涡激共振只发生在跨临界区且风速穿越临界风速;亚临界区问题只是"影响使用”
- μz 有上限(A 1.09/B 1.00/C 0.65/D 0.51),不是高度越大越无限增大
- 群体干扰系数顺风向 1.00
1.10、横风向 1.001.20,别记反 - 抗风全程弹性计算,与抗震的"弹塑性耗能"思路不同
- 抖振是强迫振动不可避免,涡振/驰振/颤振才分"限幅/发散”
- 耐火极限要求按建筑类别定,与材料无关——但高温材性劣化正是验算要解决的
- 大空间火灾=局部火灾(≥6m、≥500m²),不能套 ISO834 整体升温
可能考题形式:
- 选择题:风振考虑条件(30m/1.5、T1=0.25s)、St 与锁定的定义、加速度限值表、桥梁风致振动分类与准则、拉索振动类型、静风失稳验算跨度界限(400m/600m)
- 简答题:横风向三类激励;驰振判别条件与防治措施;颤振四特征;耐火极限两层含义与三因素;大空间升温曲线适用条件
- 概念计算:βz 公式各因子含义与查表(k、a1、θv);Vcr=B·f/St;三分力公式与 B、H、An 的含义
- 案例分析:给某钢桥或高层的振动现象(锁定、限幅、发散)判断类型并给出对策(气动优化/TMD/辅助索/倒角)