桥梁抗风抗震复习

1震级:一次地震释放能量大小的度量。烈度：地震对地表及工程结构影响的强弱程度

2桥梁抗震设防的合理安全度原则一一寻找经济与安全之间的合理平衡，既要使震前用于抗

震设防的经济投入不超过当前的经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限

制在人们可以承受的范围内。确定桥梁工程的抗震设防标准时，一般应考虑以下三方面因

素：根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；地震破坏后，桥梁结构功能丧失可

能引起次生灾害的损失；建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力。3结构地震振动方程：

4地震力理论也称地震作用理论，研究地震时地面运动对结构物产生的动态效果。地震力研究：1确定性地震力理论（以地震运动为确定运动）2概率性地震理论（以地震运动为随机

运动）

5桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的抗震能力，具体包括以下三个方面：正确选择能够有效地抵抗地震作用的结构形式；合理地分配结构的刚度、

质量和阻尼等动力参数，以便最大限度地利用构件和材料的承载和变形能力；正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其它抗震措施，使损失控制在限定的范围内。

6桥梁抗震概念设计阶段的主要任务是选择良好的抗震结构体系，从抗震的角度来看，理想

的桥梁结构体系布置应是：从几何线形上看：是直桥，而且各墩高度相差不大。弯桥或斜桥

会使地震反应复杂化，而墩高不等则导致桥墩刚度不等，从而造成地震惯性力的分配不均匀，

对整体结构的抗震不利。从结构布局上看：上部结构是连续的，伸缩缝尽可能少；桥梁保持小跨径；在多个桥墩上布置弹性支座；各个桥墩的强度和刚度在各个方向都相同；基础是建造在坚硬的场地上。要求上部结构是连续的，并尽可能少用伸缩缝，主要是为了避免出现落梁。象简支梁以及使用挂梁的桥梁，相对容易落梁，在地震区使用时应考虑采用防止落梁的

构造和装置。要求桥梁保持小跨径，主要是希望桥墩承受的轴压水平较低，从而可以获得更佳的延性。要求弹性支座布置在多个桥墩上，目的是为了把地震力分散到更多的桥墩。

7延性：材料、构件或结构的延性，通常定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力。延性指标：（1）曲率延性系数：钢筋混凝土延性构件的非弹性变形能力，来自塑性铰区截面的塑性转动能力，因此可以采用截面的曲率延性系数来反映。曲率延性系数定义

为截面的极限曲率与屈服曲率之比，即：式中，$ y和u分别表示塑性铰区截面的屈服曲率和极限曲率。（2）位移延性系数：钢筋

混凝土构件的位移延性系数定义为构件的极限位移与屈服位移之比，即：式中，y和u分别表

示延性构件的屈服位移和极限位移。

8延性对桥梁抗震的意义：（1）从变形的角度：从变形的角度看，地震造成结构损坏的原因，在于它激起的变形超出了结构的弹性极限变形；同样，地震造成结构倒塌的原因，在于它激起的反复的弹塑性变形循环，超出了结构的滞回延性。通过设计，使结构具有能够适应大地

震激起的反复的弹塑性变形循环的滞回延性，则结构在遭遇设计预期的大地震时，尽管可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标一一免于倒塌破坏却始终能得到保证。这种思想即为延性抗震设计的基本思想。（2）从能量的角度：从能量的观点看，结构延性抗震设计的基本

原理，是将结构部分构件设计成具有较好的滞回延性，在预期的地震动作用下，通过延性构

件发生的反复弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量，从而保证结构的抗震安全。

9减隔震技术的工作机理有三条：采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用阻尼器式能量耗散元件，限制结构位移；保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度。

10减震是利用特制的减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量，隔振则是利用隔震体系设法阻止地震能量进入主体结构

11减隔震技术与延性抗震设计的比较：从抗震原理上看，减隔震技术与延性抗震设计是类似的。两者都是通过延长周期以避开地震能量集中的周期范围，并且增大阻尼以耗散能量来

达到减小地震反应的目的。但在具体实施的方法上，却有很大的不同。主要表现在以下两个

方面：延性抗震设计允许很大的地震能量从地面传递到结构的重要构件上，设计考虑的是如何为结构提供抵抗地震的能力。减隔震技术的基本目的就是要大大减小传递到结构重要构

件上的地震能量，而将这一地震能量转移到减隔震装置上。延性抗震设计要求选定结构构

件的特定部位（如梁桥桥墩墩底）屈服，并形成塑性铰以降低刚度延长周期，同时利用塑性

铰的滞回特性提供耗能能力（相当于增大阻尼）。因此，结构构件的损伤是不可避免的，震

后的修复工作比较麻烦。减隔震技术通过设置减隔震装置来延长周期，并增大阻尼以耗散能量。因此，可以避免结构构件的损伤，而减隔震装置发生损伤时，替换比较简单。12风效应研究内容：风环境，风荷载，结构响应。

13桥梁风致振动的减震措施（1）空气动力学措施：引起桥梁振动的风荷载的性质与桥梁结构的外形有非常密切的关系。在不改变桥梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁的外形布置或者附加一些导流装置，往往可以减轻桥梁的风致振动。常见的行之有效的措施主要有：加装风嘴、导流板、稳定板等。其作用是使主梁断面接近流线型，避免或推迟漩涡脱落的发生，增大主梁竖向振动的空气阻尼。近年还有人研究将导流板做成可变结构，通过主动控制手段来提高减振效果。对主梁附属装置如人行道、栏杆、防撞栏杆、检修车轨道等的位置

和形状作适当调整，以改善主梁的空气动力学特性。在斜拉索的表面制造凹痕或者螺旋线，

可以减轻拉索风雨振的程度。（2）机械减振措施阻尼器，如TMD。

14粘性：施加于物体的应力和由此产生的变形速率以一定关系联系起来的一种宏观属性

15流体运动的速度分解和运动分类：以运动形式为标准对流体的任一速度场，运用场论

理论总可以将流体微团的速度分解为平动、转动与变形三部分之和。描述平动的特征量是

平动速度；描述转动的特征量是速度场的旋度，又称为涡旋矢量；描述变形的特征量是变形

速度张量。如果在整个流场中处处旋度都为零，则此运动称为无旋运动，反之称为有旋运动。

以时间为标准流场与时间无关而始终不变的称为定常运动，反之称为不定常运动。定常流

动又称为层流或平滑流；非定常运动又称为湍流或紊流。

以空间为标准流场只依赖于一个空间坐标的称为一维运动或一维流场；依赖于两个空间坐

标的称为二维运动；依赖于三个空间坐标的是三维运动。

16边界层：空气和水的粘性很小，在一般流动中可以忽略。但是在靠近物体表面处，粘性是不可忽略的，物体表面附近的这一层流场就称为边界层。

17空气动力学与气动弹性力学：如果在考察气流对物体的作用时，物体本身的变形和振动可以忽略，即物体可假定为固定在气流中的刚体，建立在这一假定上的理论称为空气动力学（Aerodynamics ）。（刚体）如果考察气流对物体作用时物体本身的变形和振动不可忽略，即物体必须看作是气流中的弹性体，则有关研究就属于气动弹性力学（aeroelasticity ）的范

畴了。（物体与流体之间的相互影响和作用）18影响自然风的重要因素：大气的吸热性能；

大气的压强与温度分布；3气压的水平梯度力一；地球表面对大气的摩擦力，边界层效应

19自然风的分类：；热带气旋，台风（飓风）；季风一；地方性风

20风的基本特征：平均风速，紊流强度，紊流尺度。平均风速的高度变化；风剖面。最大风速：平坦地面以上10m高度处10分钟平均风速最大值（年，月或日最大）

21风致静力失稳模式：（1）扭转发散：：缆索承重大跨桥梁（悬索、单索面斜拉），扭转发散的力学计算特点是要充分考虑结构的几何非线性与外荷载非线性，材料非线性通常可忽

略。

（2 ）侧向屈曲失稳：：大跨度拱桥的主拱，侧向屈曲失稳的力学计算特点是要充分考虑结构的几何与材料非线性，而外荷载非线性表现不强，即静风荷载的变形依赖性不强。

22气动弹性现象（气流力与结构相互作用）一气流中的弹性体自身身发生变形或振动；一

改变气体的边界条件；一引起气流力的变化；一使弹性体产生新的变形或振动。气动弹性

不稳定：一气流中的结构在某种力的作用下挠曲振动；一初始挠曲又相继引起一系列具有

振荡或发散特点的挠曲；一一切气动弹性不稳定现象都必含有因物体运动而作用在物体上

的气动力-- 自激力（Self-excited forces）；—两种最

主要的桥梁结构气动弹性不稳定现象--- 驰振（Galloping）与颤振（Flutter）

23自激力（Self-excited forces）: —切气动弹性不稳定现象都必含有因物体运动而作用在物体上的气动力24驰振一细长物体因气流自激作用产生的一种纯弯曲大幅振动；一理论上

是发散的，即不稳定的；一最先发现于结冰的输电线；一对桥梁结构而言，塔柱、吊杆与拉索有可

能出现驰振现象

颤振一最先发现于薄的机翼细长物体；一扭转发散振动或弯扭复合的发散振动；一较宽的桥面扭转效应

显著，应保证颤振稳定性

25颤振临界风速与临界状态：通常情况下，在低风速时，结构处于空气稳定状态，随着风速的增大，颤振导数的变化会逐渐改变气动自激力与振动状态之间的相位差，气流也就从耗散结构能量转变为向结构输送能量，至一定风速后结构状态就转变为动力不稳定状态，颤振也就发生了。由稳定状态转变为不稳定状态的对应风速就称为颤振临界风速。

26抖振现象一结构物自身尾流引起的抖振；一其他结构物特征紊流引起的抖振；一自然风中的脉动成份

引起的抖振

桥梁结构在随机风荷载作用下的响应计算一频域法;—时域法

27涡激力：当钝体截面受到均匀流的作用时，截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的作用力。28涡激共振是一种带有自激性质的强迫振动一是一种较低风速下发生的有限振幅振动；一只在某一风速区间

内发生；一最大振幅对阻尼有很大的依赖性；一涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；一涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动

29主梁断面气动性能优化（减抗措施）—结构措施（改变刚度、质量）；一气动措施（平板隔流、增加风嘴、增设导流板以及调整检修轨道等辅助设施位置）；一阻尼措施（TMD或TLD）

30拉索振动的类型：一风致振动涡激共振、尾流驰振、驰振、风雨激振；一非风致振动参数振动、内

共振

31控制拉索振动的三种措施：一空气动力学措施（改变拉索表面形状）；一结构措施（辅助索）；一机

械减振措施（阻尼器）

32颤振一在非定常空气动力作用下，所发生的自激发散振动。类型： 1.弯扭二自由度耦合颤振一流线性断面2.扭转单自由度分离流颤振-非流线性断面

驰振一特殊形状的细长结构在临界风速作用下不断从来流中吸取能量而出现的横流向的弯曲单自由度自

激振动

涡激共振一绕流钝体结构会发生旋涡的脱落，当其频率接近或等于结构的自持频率时将由此振发出结构的共振

抖振一风速中脉动成分（紊流）所引起的一种强迫振动。类型： 1.结构物本身的流动分离产生的紊流引起的

振动；2.相邻结构的尾流产生的紊流引起的振动； 3.大气来流中的紊流引起的振动

风工程研究内容：建筑结构风工程，桥梁结构风工程车，辆空气动力，环

境污染与扩散

风工程研究方法，风洞试验，，CFD，实地观测风洞的分类

风洞：在按一定要求设计的管道内，产生可控制气流

进行气动力实验的设备

按风速分：极低速低速亚音速跨音速超音速

（<3m ⑸（0.4M）（0.8M）

（1.2M）

（5.0M）

按工作方式分：回流式（闭口式开口式）

直流式（吸入式吹出式）

按工作面积分：试验段当量直径（风工程用风洞）

大型（d>4m）中型（1.5m

按用途分：气象、环境、建筑（桥梁）、工业（汽车）、航空（航天）按功能分：普通、压力、低紊流度、低温、全尺寸、大气边界层

风

1）风的空气动力学定义2）风的成因3）风的种类

描述风特性的主要参数1）风速2）紊流度3）功率谱4）攻角6）积

分尺度影响风特性主要参数的因素1 ）大气环境2）地形3）地貌

如何得到风特性1）实测2 ）气象资料3 ）数字模拟

自然风特性的实验室模拟被动模拟主动模拟

主梁涡振危害，疲劳破坏，桥面行车舒适度，诱发失稳破坏（高风速区）

特点，在低风速区，区间振动，振幅较小，断面形状密切相关，阻尼大小影响产生制振措施安装TMD 增设气动措施

抖振定义：由风中紊流成份诱发桥梁产生的一种强迫振动。

抖振是一种限幅振动，不会引起结构灾难性的破坏，但其发生频度较高，持久的振动会引起构件疲劳，过大的振幅或加速度可能导致行人不舒适，危及高速行车安全，甚至使构件发生强度破坏。

紊流包括自然大气中的紊流、结构物自身引起的特征紊流以及以由相邻结构物尾流产生的紊流，通常所说的抖振是指由自然大气中的紊流引起的。

自然大气中的紊流可近似看作平稳随机过程，抖振响应可基于随机振动理论进行频域或时域分析。

气动弹性效应，细高、细长结构

定义驰振是具有特殊横截面形状的细长结构物发生的典型的不稳定

性振动现象特点 1 ）截面形状为矩形、“ D”字形，或一些裹冰电线的有效截面形状2）垂直气流方向的大幅度振荡（振幅为一至十倍以上横风向截面尺寸）3）振动频率远低于该截面的旋涡脱落频率细长等截面结构可采用葛一登判据判断初始驰振稳定性，并可求出驰振临界风速

大跨度桥梁主梁无发生横风向驰振的报道，宽高比较小的箱梁及矩形咼塔可能发生

驰振

抵抗驰振的几种方法

（1）在塔顶安装调质阻尼器（TMD ）提高结构阻尼比以提高

临 界风速。

对矩形截面采用倒角的方法以降低升力系数的负斜率的 绝对值，从而提高临界风速。

（3）加大结构的谢度,提高弯曲基频仏

⑷加M 高、改善的措施牡丿「：

风致振动控制措施 结构措

施：

增加结构的总体刚度，如质量、中央扣、辅助索 气动措

施： 改善桥梁结构的绕流特性，从而减小激振外力， 如开敞式桥面、风嘴、中央稳定板、导流板、

拉索的表面加工

机械措

施：

附加阻尼提高气动稳定性或降低风振响应， 如阻尼器（调谐式和非调谐式）

地震震级与地震烈度既有区别，又有联系。

一次地震中，震级是唯一的，而地震烈度却在不同地区有不同烈

度。

般认为：当环境条件相同时，震级愈高，震源愈浅，震中距愈

小，地震烈度愈高。

国将地震烈度分为十二度。根据使用特点的需要，将地震烈度划 分为：基本烈

度、建筑场地烈度及设计烈度三种。

基本烈度是指该地区在一百年内能普遍遭受的最大地震烈度。建筑场地烈度是指在建筑场地范围内，由于地质条件、地形地貌条件及水文地质条件不同而引起对基本烈度的提高或降低。

设计烈度是指抗震设计中实际采用的烈度。它是根据建筑物的重要性，永久性、抗震性及经济性等的需要对基本烈度的调整。

震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有四个：

所发生的地震强度超过了设防标准；

桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形；

桥梁结构设计、施工错误；

桥梁结构本身抗震能力不足。

震害分类：

（1）支承连接部件失效：在地震中，如果支承连接部件失效，桥梁结构就会丧失整体性，原来的传力途径失效，计算简图不再明确。更为严重的是，上部结构可能与下部结构脱开，导致梁体坠毁。而落梁的强烈冲击力又可能使下部结构遭受严重的破坏。

支承连接部件失效一般始于支座破坏。支座一般分为固定支座和活动支座。固定支座破坏主要表现为支座与梁的连接构件，支座部件，以及墩台上的锚固构件破坏，是强度不足引起的。而活动支座的破坏主要是支座位移超出了允许范围（脱落），是由于支座的位移能力不足引起的。支座破坏之后，上部结构和下部结构之间将产生更大的相对位移。在设有伸缩装置的部位，如果设计低估了这一相对位移，在墩、台顶，以及挂梁支承牛腿处设置的支承面太窄，又没有可靠的约束装置，就有