第1章 概述

1.1 桥梁风致振动

风与桥梁结构之间相互作用的研究源于发生在1940年的Tacoma桥风毁事故。在不到20m/s的风速下桥梁由竖向振动转为扭转振动，在经过持续的大幅扭转振动后，桥梁丧失整体稳定性，折为两段跌入峡谷（图1.1），从此拉开了桥梁风振研究的序幕。

图1.1 Tacoma桥风毁事故

由于自然界的风受近地边界层影响，其速度、方向及其空间分布都是非定常且是随机的，因此具有明显的湍流特性。风与桥梁结构之间相互作用由于受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用3个方面的制约而变得更加复杂。流体本身具有黏性作用，故当风流过非流线形桥梁断面时，就会产生流动的分离和再附，形成复杂的作用力。当桥梁结构较长、较柔时，这种作用力将激发起桥梁的振动，而振动起来的桥梁又反过来影响流场，改变空气作用力，引起风与结构的相互作用机制。当气动力受结构振动影响较小时，空气的动力作用可以看作一种强迫振动荷载；而当气动力受结构振动影响较大时，空气同振动结构形成了一个具有相互作用反馈机制的动力系统，则表现为一种自激力。

桥梁风致振动按照气弹性动力响应可以分为自激振动和强迫振动两大类。自激振动是在平均风作用下，桥梁从流动的气流中吸收能量，引起结构的振动，而振动起来的桥梁结构又将一部分能量反馈到气流中形成桥梁结构与风的相互激励与反馈作用。不同的断面形式表现出来的自激振动形态也不相同。流线形桥面可能发生弯扭耦合的古典颤振，非流线形桥面的分离流扭转颤振，矩形和方形截面的桥塔可能发生挠曲振动占优势的驰振以及伴随着上述振动同时发生的因旋涡脱落而引起的涡激振动。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现象不同，其振动响应是一种强迫型的限幅振动，因而具有双重性。

强迫振动主要是空气的脉动成分产生的。大气的脉动风谱引起的结构随机振动响应称为抖振。抖振不像颤振和驰振那样具有自激和发散的性质，不会造成桥梁的空气动力失稳，它是一种限幅振动，但由于发生抖振响应的风速低、频度大，而且会使桥梁连接杆件的接头或支座等构造细节发生局部疲劳，同时过大的抖振响应还会危及行车的安全。