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摘要：介绍了风对桥梁的作用，分析了大跨度桥梁风致振动破坏形式及抗风研究方法，显示出理论意义和实用价值。
关键词：大跨度桥梁；抗风分析；风洞试验；CFD
中图分类号： K928 文献标识码： A
1 风对桥梁的作用
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构外形、结构动力性能以及风与结构的相互作用等因素制约。风对桥梁的作用包括静力作用和动力作用。
(1) 静力作用
静力作用是指风速中由平均风速部分施加在结构上的静风压产生的阻力、升力和扭矩作用引起的结构内力和变形，破坏特点以强度破坏或过大的结构变形为主。在静力风荷载的作用下，可能会导致结构空气静力失稳。空气静力失稳主要包括扭矩引起的结构扭转发散和阻力引起的结构横向屈曲两种形式。静力失稳发生前无任何预兆，具有突发性强、破坏性大的特点。
(2) 动力作用
动力作用是指结构在风作用下的空气弹性动力响应，一般分为两大类：一类是在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。另一类是结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应称为抖振，其振动响应是一种限幅强迫振动，故该类振动具有两重性。风对桥梁的作用见表1。
表1 风对桥梁的作用
分类 现象 作用机制
静力作用 静(阵)风载引起的内力和变形 平均风的静风压产生的升力、阻力和扭转力矩作用
静力不稳定 扭转发散 静(扭转)力矩作用
横向屈曲 静阻力作用
动力作用 抖振(紊流风响应) 限幅振动 紊流风作用
自激振动 涡振 漩涡脱落引起的涡激力作用
驰振 单自由度 发散振动 自激力的气动负阻尼效应-阻尼振动
扭转颤振
古典耦合振动 双自由度 自激力的气动刚度驱动
2 风致振动破坏形式
桥梁结构风振问题按振动形式分为五类：颤振、驰振、抖振、涡振和拉索风振。对于主梁主要是颤振，对拉索则是驰振；与安全可靠性相关的风振形式对于主梁主要是抖振，对桥塔则是涡振；与疲劳可靠性相关的风振形式，对于主梁仍然是抖振，对桥塔则为涡振；与主梁舒适可靠性相关的风振形式主要是抖振。
(1) 颤振(Flutter)
桥梁颤振是一种危险性的自激发散振动，是由弹性力、惯性力、阻尼力和空气自激力共同引起的一种气动弹性不稳定现象，可能造成如旧塔科马桥那样的灾难性后果。当气动力激起的桥梁振动对周围气流流动特性影响较小时，气动力相当于强迫振动力；当桥梁振动大到足以改变周围的气流，而改变的气流又使作用于桥梁的气动力发生改变，形成了一个闭合的激励反馈系统。当系统中的阻尼由正变负时，系统振动就发散，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。
颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只要精心分析与设计，辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。
(2) 驰振(Galloping)
驰振是振动的桥梁从气流中不断吸取能量，使非扁平截面细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。驰振和颤振相似，都是发生在横风向不稳定的发散振动现象。根据来流的不同，驰振又分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线(或升力矩曲线)的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。而尾流驰振则由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的振动。与横流驰振相比，尾流驰振研究较少，一般采用Simpson尾流驰振分析法。
(3) 抖振(Buffeting)
抖振是结构在脉动风作用下的随机强迫振动，可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果，发生频率高，但幅度通常有限。抖振虽然不会像颤振那样引起灾难性的失稳破坏，但是过大的抖振响应在桥梁施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营阶段则会带来结构刚度问题影响行人和车辆的舒适性以及引起交变应力缩短构件的疲劳寿命。
(4) 涡激振动(Vortex Resonance)
浸没在气流中的桥梁结构，截面尾流区的气流将出现周期性交替变化，产生周期性的空气力，引起结构振动，该气动力是由漩涡脱离引起的，这种现象称为涡激振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。尽管涡激振动不像颤振、驰振一样是发散的毁灭性振动，但由于其振幅之大足以影响行车安全，甚至可能造成结构刚度破坏、并严重影响结构使用性能，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围内具有十分重要的意义。
(5) 拉索风振(Rain-wind induced vibration)
风雨振是在风雨共存的气候条件下发生的一种大幅低频振动，它是目前已知拉索振动形式中最强烈的一种斜拉桥病害。由于风雨振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。
3 桥梁抗风研究方法
桥梁抗风工程的研究方法主要有三种：风洞实验、理论分析与CFD数值模拟以及现场观测。
3.1风洞试验
通过精心设计的各种风洞试验，可以预测实桥的空气静力稳定性、动力稳定性以及是否有影响正常使用的风致振动现象发生等。另外，风洞试验还可以优选出提高桥梁气动性能的断面及方法。
国外大跨度桥梁抗风试验研究始于塔科马桥事故，并且逐步形成了以全部构件所有气动弹性性能模拟为目标的全桥气弹模型风洞实验、以桥梁主要构件(桥面)刚性节段气动外形和弹簧支撑刚度模拟为目标的节段模型风洞实验、用拉条模拟实际桥梁总体刚度和用节模拟桥面气动外形的拉条弹性模型风洞实验等3种方法。30多年来，国内同济大学、西南交通大学、中国空气动力研究中心等单位先后完成了近40座大跨度桥梁的全桥气弹模型风洞实验，其中包括世界最大跨度的钢拱桥—上海卢浦大桥、世界最大跨度的斜拉桥—苏通长江大桥和世界最大跨度的钢箱梁悬索桥—舟山西堠门大桥。
3.2 理论分析
理论分析方法就是运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，然后应用结构动力学方法，求解各类风致振动和稳定问题。理论分析方法在建立桥梁抗风工程的基本理论上起着决定性的作用。在桥梁抗风工程学科发展史上，西奥多尔森(Theodorsen)的理想平板颤振自激力理论解，斯坎伦(R.H.Scanlan)的桥梁断面颤振理论，达文波特(Davenport)的抖振准定常理论，都发挥了且仍发挥着重要的作用。桥梁抗风研究的进一步发展，将有待于基本理论框架的新突破。
3.3 CFD数值模拟以及现场观测
CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析，模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况。它可以看作是在流体基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过CFD模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定压力、速度、漩涡分布特征等，还可据此计算出相关的其他物理量。目前，应用数值模拟方法，可较好地计算某些断面的三分力系数、颤振导数等。随着越来越多横跨江河甚至海峡的大跨度桥梁的出现，应用CFD方法研究桥梁气动性能并应用其指导设计和施工成为必然趋势。
另外，在实桥上观察和测量桥梁风致振动的特征和主要参数，也是一种很好的研究手段，尤其是在桥梁发生风致病害时进行观测，研究价值更大。比如舊塔科马桥风毁过程的实况摄影，对促成桥梁抗风工程学科的诞生有着重要作用。
4 结语
现代桥梁结构向着跨度更大、更柔、更纤细的方向发展，这必然导致对风的敏感性增加，因此有必要对其抗风性能进行研究。由于风是一种随机不确定性的荷载，经过几十年的发展，人们对桥梁结构风致振动也有了较深的认识，其理论框架已经基本建立，但仍需要针对桥梁的颤振、抖振、涡振、风雨振等进行更加深入的分析研究，以建立精确、适用的分析理论及相应的求解方法。
参考文献
[1] 项海帆等．现代桥梁抗风理论与实践[M]．北京：人民交通出版社，2005.
[2]吕卫军．高墩大跨连续刚构桥风荷载研究[D]．西安：长安大学，2006.5
[3] Lin Y.K.,Yang J.N.Multimode bridge response to wind excitations.J.Engineering Mechanics,ASCE,Vol.109(2),586-603
[4] 姜天华．大跨度桥梁风致振动控制研究[D]．武汉：武汉理工大学，2009
[5] 卢斌，朱莉，丁鹏程．高墩大跨连续刚构桥梁的抗风抗震分析[J]．世界桥梁，2006，(2)：44-45.
关键词：大跨度桥梁；抗风分析；风洞试验；CFD
中图分类号： K928 文献标识码： A
1 风对桥梁的作用
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构外形、结构动力性能以及风与结构的相互作用等因素制约。风对桥梁的作用包括静力作用和动力作用。
(1) 静力作用
静力作用是指风速中由平均风速部分施加在结构上的静风压产生的阻力、升力和扭矩作用引起的结构内力和变形，破坏特点以强度破坏或过大的结构变形为主。在静力风荷载的作用下，可能会导致结构空气静力失稳。空气静力失稳主要包括扭矩引起的结构扭转发散和阻力引起的结构横向屈曲两种形式。静力失稳发生前无任何预兆，具有突发性强、破坏性大的特点。
(2) 动力作用
动力作用是指结构在风作用下的空气弹性动力响应，一般分为两大类：一类是在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。另一类是结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应称为抖振，其振动响应是一种限幅强迫振动，故该类振动具有两重性。风对桥梁的作用见表1。
表1 风对桥梁的作用
分类 现象 作用机制
静力作用 静(阵)风载引起的内力和变形 平均风的静风压产生的升力、阻力和扭转力矩作用
静力不稳定 扭转发散 静(扭转)力矩作用
横向屈曲 静阻力作用
动力作用 抖振(紊流风响应) 限幅振动 紊流风作用
自激振动 涡振 漩涡脱落引起的涡激力作用
驰振 单自由度 发散振动 自激力的气动负阻尼效应-阻尼振动
扭转颤振
古典耦合振动 双自由度 自激力的气动刚度驱动
2 风致振动破坏形式
桥梁结构风振问题按振动形式分为五类：颤振、驰振、抖振、涡振和拉索风振。对于主梁主要是颤振，对拉索则是驰振；与安全可靠性相关的风振形式对于主梁主要是抖振，对桥塔则是涡振；与疲劳可靠性相关的风振形式，对于主梁仍然是抖振，对桥塔则为涡振；与主梁舒适可靠性相关的风振形式主要是抖振。
(1) 颤振(Flutter)
桥梁颤振是一种危险性的自激发散振动，是由弹性力、惯性力、阻尼力和空气自激力共同引起的一种气动弹性不稳定现象，可能造成如旧塔科马桥那样的灾难性后果。当气动力激起的桥梁振动对周围气流流动特性影响较小时，气动力相当于强迫振动力；当桥梁振动大到足以改变周围的气流，而改变的气流又使作用于桥梁的气动力发生改变，形成了一个闭合的激励反馈系统。当系统中的阻尼由正变负时，系统振动就发散，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。
颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只要精心分析与设计，辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。
(2) 驰振(Galloping)
驰振是振动的桥梁从气流中不断吸取能量，使非扁平截面细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。驰振和颤振相似，都是发生在横风向不稳定的发散振动现象。根据来流的不同，驰振又分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线(或升力矩曲线)的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。而尾流驰振则由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的振动。与横流驰振相比，尾流驰振研究较少，一般采用Simpson尾流驰振分析法。
(3) 抖振(Buffeting)
抖振是结构在脉动风作用下的随机强迫振动，可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果，发生频率高，但幅度通常有限。抖振虽然不会像颤振那样引起灾难性的失稳破坏，但是过大的抖振响应在桥梁施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营阶段则会带来结构刚度问题影响行人和车辆的舒适性以及引起交变应力缩短构件的疲劳寿命。
(4) 涡激振动(Vortex Resonance)
浸没在气流中的桥梁结构，截面尾流区的气流将出现周期性交替变化，产生周期性的空气力，引起结构振动，该气动力是由漩涡脱离引起的，这种现象称为涡激振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。尽管涡激振动不像颤振、驰振一样是发散的毁灭性振动，但由于其振幅之大足以影响行车安全，甚至可能造成结构刚度破坏、并严重影响结构使用性能，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围内具有十分重要的意义。
(5) 拉索风振(Rain-wind induced vibration)
风雨振是在风雨共存的气候条件下发生的一种大幅低频振动，它是目前已知拉索振动形式中最强烈的一种斜拉桥病害。由于风雨振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。
3 桥梁抗风研究方法
桥梁抗风工程的研究方法主要有三种：风洞实验、理论分析与CFD数值模拟以及现场观测。
3.1风洞试验
通过精心设计的各种风洞试验，可以预测实桥的空气静力稳定性、动力稳定性以及是否有影响正常使用的风致振动现象发生等。另外，风洞试验还可以优选出提高桥梁气动性能的断面及方法。
国外大跨度桥梁抗风试验研究始于塔科马桥事故，并且逐步形成了以全部构件所有气动弹性性能模拟为目标的全桥气弹模型风洞实验、以桥梁主要构件(桥面)刚性节段气动外形和弹簧支撑刚度模拟为目标的节段模型风洞实验、用拉条模拟实际桥梁总体刚度和用节模拟桥面气动外形的拉条弹性模型风洞实验等3种方法。30多年来，国内同济大学、西南交通大学、中国空气动力研究中心等单位先后完成了近40座大跨度桥梁的全桥气弹模型风洞实验，其中包括世界最大跨度的钢拱桥—上海卢浦大桥、世界最大跨度的斜拉桥—苏通长江大桥和世界最大跨度的钢箱梁悬索桥—舟山西堠门大桥。
3.2 理论分析
理论分析方法就是运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，然后应用结构动力学方法，求解各类风致振动和稳定问题。理论分析方法在建立桥梁抗风工程的基本理论上起着决定性的作用。在桥梁抗风工程学科发展史上，西奥多尔森(Theodorsen)的理想平板颤振自激力理论解，斯坎伦(R.H.Scanlan)的桥梁断面颤振理论，达文波特(Davenport)的抖振准定常理论，都发挥了且仍发挥着重要的作用。桥梁抗风研究的进一步发展，将有待于基本理论框架的新突破。
3.3 CFD数值模拟以及现场观测
CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析，模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况。它可以看作是在流体基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过CFD模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定压力、速度、漩涡分布特征等，还可据此计算出相关的其他物理量。目前，应用数值模拟方法，可较好地计算某些断面的三分力系数、颤振导数等。随着越来越多横跨江河甚至海峡的大跨度桥梁的出现，应用CFD方法研究桥梁气动性能并应用其指导设计和施工成为必然趋势。
另外，在实桥上观察和测量桥梁风致振动的特征和主要参数，也是一种很好的研究手段，尤其是在桥梁发生风致病害时进行观测，研究价值更大。比如舊塔科马桥风毁过程的实况摄影，对促成桥梁抗风工程学科的诞生有着重要作用。
4 结语
现代桥梁结构向着跨度更大、更柔、更纤细的方向发展，这必然导致对风的敏感性增加，因此有必要对其抗风性能进行研究。由于风是一种随机不确定性的荷载，经过几十年的发展，人们对桥梁结构风致振动也有了较深的认识，其理论框架已经基本建立，但仍需要针对桥梁的颤振、抖振、涡振、风雨振等进行更加深入的分析研究，以建立精确、适用的分析理论及相应的求解方法。
参考文献
[1] 项海帆等．现代桥梁抗风理论与实践[M]．北京：人民交通出版社，2005.
[2]吕卫军．高墩大跨连续刚构桥风荷载研究[D]．西安：长安大学，2006.5
[3] Lin Y.K.,Yang J.N.Multimode bridge response to wind excitations.J.Engineering Mechanics,ASCE,Vol.109(2),586-603
[4] 姜天华．大跨度桥梁风致振动控制研究[D]．武汉：武汉理工大学，2009
[5] 卢斌，朱莉，丁鹏程．高墩大跨连续刚构桥梁的抗风抗震分析[J]．世界桥梁，2006，(2)：44-45.