桥梁抗风设计：自然风特性与振动特性的重要研究

空气的流动就是风。在气象学上，将风的强弱按10min时距的平均风速（在平地上离地10m处测得）的大小分为13个等级，即0～12级，其中0级风为静风，12级为台风或飓风，其平均风速高达33m/s左右；12级以上的风，还有6个等级，一般发生在海洋上，陆地上较为少见。

对工程结构抗风设计具有意义的强风有下列几种：热带气旋，在北太平洋西部和我国南海的热带气旋称为台风，在我国沿海的广东、福建、浙江及海南等地，每年夏天几乎均要受到台风的袭击；生成于大西洋、加勒比海以及北太平洋东部的热带气旋称为飓风；在热带气旋登陆地区，风速通常在12级以上。内陆风暴，在我国由西伯利亚寒流引起的内陆大风，对北方和西北地区影响较大。龙卷风，它是一种形成迅速、尺度较小、持续时间不长、风速高达100m/s以上的剧烈涡旋，但这里所说的桥梁抗风尚未包括它的影响。

强风对桥梁结构的危害多种多样。从受害程度上说，有结构局部构件破损的轻微灾害，也有导致整个结构坍塌的巨大灾害。灾害的表现形式有风压引起的结构变形或倾覆以及由风引起的结构振动破坏。对于跨度较小、刚度大、自重大的结构物，一般可只考虑静风压的作用；而对于大跨柔细的桥梁结构物，则风致振动破坏的危险性更大。

历史上，桥梁因风压作用而引起损坏的例子有苏格兰泰河桥（Tay Bridge）的坠落事故。泰河桥是一座铁路单线桥，1878年3月建成，全长约3.2km，在通车一年半后，于1879年12月28日，因遭受暴风袭击，其主航道上的13孔跨长70m 的锻铁桁架梁，连同正行驶于其上的列车一道坠入河中，75人丧生。见图9.11（a）。该桥的惨重事故说明，在桥梁设计中必须慎重考虑风荷载的作用。

大跨度柔性桥梁因风致振动而引起灾害事故的事例也较多，其中影响较大的是美国塔科马海峡桥（Tacoma Narrows Bridge）的风毁事故。该桥是一座主跨853m的悬索桥，其两片加劲梁为11.9m宽、2.44m高的钢板梁，在建成并通车约4个月后，于1940年11月7日在19m/s左右风速作用下坠毁。见图9.11（b）。破坏前加劲梁发生了剧烈的扭转振动，其扭转角约达45°。幸亏该桥在破坏前关闭了交通，才避免了人员伤亡。尽管该桥所取的静风压设计值很高（对于53m/s的风速都是安全的），然而对风致振动则几乎未加考虑。以这一事故为契机，工程界由此开展了对桥梁抗风的研究。10年后重建的塔科马桥（以及2007年建造的塔科马新桥），均采用桁架结构作为加劲梁，并在桥面上设置透风槽，从而解决了其风振问题。(www.xing528.com)

图9.11　桥梁风毁实例

桥梁风工程（Wind Engineering）理论与技术的进步，避免了再发生类似于塔科马桥风毁那样的事故，但几十年来，较轻微的桥梁风害时有发生。例如在我国，在广东某斜拉桥的施工过程中，吊机被大风吹倒，砸坏主梁；江西某桥的柔性拱的吊杆，在风的作用下产生涡激共振；上海某斜拉桥的斜索产生的涡振和雨振导致索套损坏，浙江某悬索桥的抖振导致行车不适等。对大跨度斜拉桥和悬索桥等较柔细结构，其风振问题必须引起足够重视。

桥梁在强风作用下的的风荷载和振动特性均与自然风特性在关，因此，学习桥梁抗风设计首先需要了解自然风特性。