第1章 概述

1.1 橋梁風致振動

風與橋梁結構之間相互作用的研究源于發生在1940年的Tacoma橋風毀事故。在不到20m/s的風速下橋梁由豎向振動轉為扭轉振動，在經過持續的大幅扭轉振動后，橋梁喪失整體穩定性，折為兩段跌入峽谷（圖1.1），從此拉開了橋梁風振研究的序幕。

圖1.1 Tacoma橋風毀事故

由于自然界的風受近地邊界層影響，其速度、方向及其空間分布都是非定常且是隨機的，因此具有明顯的湍流特性。風與橋梁結構之間相互作用由于受到風的自然特性、結構動力性能以及風與結構的相互作用3個方面的制約而變得更加復雜。流體本身具有黏性作用，故當風流過非流線形橋梁斷面時，就會產生流動的分離和再附，形成復雜的作用力。當橋梁結構較長、較柔時，這種作用力將激發起橋梁的振動，而振動起來的橋梁又反過來影響流場，改變空氣作用力，引起風與結構的相互作用機制。當氣動力受結構振動影響較小時，空氣的動力作用可以看作一種強迫振動荷載；而當氣動力受結構振動影響較大時，空氣同振動結構形成了一個具有相互作用反饋機制的動力系統，則表現為一種自激力。

橋梁風致振動按照氣彈性動力響應可以分為自激振動和強迫振動兩大類。自激振動是在平均風作用下，橋梁從流動的氣流中吸收能量，引起結構的振動，而振動起來的橋梁結構又將一部分能量反饋到氣流中形成橋梁結構與風的相互激勵與反饋作用。不同的斷面形式表現出來的自激振動形態也不相同。流線形橋面可能發生彎扭耦合的古典顫振，非流線形橋面的分離流扭轉顫振，矩形和方形截面的橋塔可能發生撓曲振動占優勢的馳振以及伴隨著上述振動同時發生的因旋渦脫落而引起的渦激振動。渦激振動雖然也帶有自激性質，但它和顫振和馳振的發散性振動現象不同，其振動響應是一種強迫型的限幅振動，因而具有雙重性。

強迫振動主要是空氣的脈動成分產生的。大氣的脈動風譜引起的結構隨機振動響應稱為抖振。抖振不像顫振和馳振那樣具有自激和發散的性質，不會造成橋梁的空氣動力失穩，它是一種限幅振動，但由于發生抖振響應的風速低、頻度大，而且會使橋梁連接桿件的接頭或支座等構造細節發生局部疲勞，同時過大的抖振響應還會危及行車的安全。