一、風荷載對橋梁結構影響研究的必要性
橋梁的風毀事故最早可以追溯到1818年，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋首先因風的作用而遭到毀壞。之后，英國的Tay橋因未考慮風的靜力作用垮掉，造成75人死亡的慘劇。但直到1940年，美國華盛頓新建成的Tacoma Narrows懸索橋，在不到20 m/s 的風速作用下發生了強烈的振動并導致破壞（見圖1），才使工程界注意到橋梁風致振動的重要性。現代橋梁抗風研究自此開始。
眾所周知，橋梁是一種在風荷載作用下容易產生變形和振動的柔性結構，而且橋梁一般修建在江河、海峽等風速較大的區域。故此，抗風設計是橋梁結構設計的重要內容之一。
為避免此類慘劇就必須要把風荷載對橋梁結構的影響降到最低，而有效抵抗和預防風荷載對橋梁結構的影響的一大前提，就是清楚的把握風荷載對橋梁結構的影響。
二、風荷載在橋梁上的作用效應
1.風對橋梁作用的現象及作用機制：
風對橋梁的作用是一個十分復雜的現象，它受到風的自然特性、結構動力性能以及風與結構的相互作用三方面的制約。由于地表的起伏和各種建筑物的影響，使得近地風的風速和風向及其空間分布都是非定常的（即隨時間變化的）和隨機的。當這種帶有脈動成份的風繞過非流線形截面的橋梁結構時，就會產生旋渦和流動分離，形成復雜的空氣作用力。這種作用力可能引起橋梁的振動，而橋梁結構的振動又將引起流場的改變，這種相互作用的機制使得問題更加復雜。
從工程抗風設計角度，可以把自然風分解成不隨時間變化的平均風和隨時間變化的脈動風兩部分的疊加，分別考慮它們對橋梁的作用，即靜力作用和動力作用兩種作用的現象和機制見表1。
2.風的靜力作用
假定在平均風速的作用下，結構保持靜止不動或者其振動不影響空氣力，此時的定常(不隨時間變化)反應稱為風的靜力作用。
2.1 橋梁結構對風的靜力作用的響應
當氣流以恒定不變的流速和方向繞過假定為固定不動的橋梁時，就形成了一個定常的流場。這樣，空氣對橋梁表面的動壓力的合力——空氣的作用力也是定常的。由于橋梁結構是一個水平方向的線狀結構，流場可近似地看做是二維的。此時，空氣作用力可分解成阻力、升力和升力矩3個分量，如圖2所示。
從圖2可以看出，橋梁結構在風的靜力作用下有可能發生主要由阻力引起的側向風壓荷載，有時也要考慮升力影響的強度問題，或產生可能由升力矩作用下引起的扭轉發散，或出現在阻力作用下側傾失穩（水平面內的彎曲導致水平面的彎扭失穩）的穩定問題。因此，在橋梁的抗風設計中，需驗算結構(特別是施工階段的不利狀態)在靜風力作用下的安全性。
2.2 風的靜力作用分析
阻力、升力和升力矩的計算式分別為：
空氣靜力系數與結構的風致振動也有密切關系，其斜率將決定與速度成正比的空氣阻尼力的正負，由此即可判斷截面的氣動穩定性。橋梁斷面的靜力系數與截面形狀、來流方向以及雷諾數有關。在橋梁結構中，除了圓形截面外，大部分非流線形截面都帶有明顯的棱角，氣流的分離點基本上是固定的，即可以認為不會隨風速而變化。
因此，雷諾數的影響可以忽略不計。通常，阻力、升力和升力矩3 個分力的靜力系數應通過風洞實驗測得。
3. 風對橋梁結構的動力作用
為充分驗證風荷載的靜力作用及脈動風對橋梁的動力作用，對某大跨度橋梁分別施加平均風速為20 m/s 的靜風及脈動風，將所得到的橋梁跨中節點位移時程曲線對比情況列于圖3。由圖4中的曲線可以看出，橋梁的豎向位移主要由施加的豎向車輛荷載引起，風荷載對其影響很小; 橋梁受到靜風荷載作用后橫向位移急劇增加，而且偏向風荷載的方向; 再施加脈動風荷載后，橫向位移再次加劇，且呈現波動趨勢，說明相對于豎向位移，橋梁的橫向位移更容易受到風荷載的影響。
三、橋梁的抗風設計
1.橋梁抗風設計的目的
首先在于保證結構在施工階段和建成后的營運階段能夠安全承受可能發生的最大風荷載的靜力作用和由于風致振動引起的動力作用。因此，首先應掌握架橋地點的風特性，決定橋梁的設計風速，并據此推算風對橋梁的作用，校核抗風安全性，如果有可能出現有害的振動或變形，就應考慮適當的防止對策或進行設計變更。
2.抗風設計中的重要因素有：
（1）風特性參數 應通過調查和收集氣象資料掌握橋址處的風特性，并采用正確的方法確定合理的參數供抗風設計使用。特別要注意橋址處特殊的地形、地貌和風向條件，以便對常規的取值進行必要的修正。
（2）橋梁的動力特性 需采用合理的力學模型，并注意邊界支承條件的正確處理。對計算結果要通過與相似橋梁的比較檢驗其合理性和可靠性，其中特別是對于主梁前二階對稱和反對稱的豎向彎曲、側向彎曲和扭轉振型要作出正確的判斷。
（3）橋梁風荷載、顫振臨界風速、抖振響應 抖振響應的正確預測主要取決于橋梁的動力特性、主梁斷面的氣動特性和紊流風特性。
3.橋梁抗風設計的基本過程 對于一般的大橋，初步設計階段的抗風分析可采用近似的公式對各方案的靜風載內力和氣動穩定性進行估算，待方案確定后再通過節段模型的風洞試驗測定各種參數，進行抗風驗算和風振分析。對于重要橋梁，宜在初步設計階段通過風洞試驗進行氣動選型，為確定主梁斷面提供依據。在技術設計階段再對選定的斷面方案進行詳細的抗風驗算和風振分析，還應通過全橋模型的風洞試驗對分析結果予以確認。
四、有待進一步研究的問題
通過已有研究成果的分析發現以下兩個方面有待進一步深入研究。
1、橋梁斷面的氣動參數
橋梁斷面的氣動力(力矩)系數,氣動導數和氣動導納是橋梁抗風設計中的重要氣動參數。氣動力(力矩)主要用于橋梁的穩定性分析,通過節段模型可以準確進行測量。
目前,對流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動導納的 Sears函數來考慮抖振力的非定常效應,但是,對于復雜的橋梁斷面形狀,這種方法會產生誤差。因此,對氣動導納的研究亦應十分關注。氣動導納的研究工作還有待進一步深入,特別是在湍流場中如何準確建立鈍體的非線性、非定常氣動力學模型。
2、橋梁的拉索振動
橋梁的拉索振動的形式有渦激振動、尾流振動、參數共振和斜索雨振等,其中研究的重點應該是斜索雨振。
國內為對斜索雨振的機理進行了很多研究,除了用馳振理論解釋外,還有用二次流理論和能量輸入理論來解釋雨振現象。中國空氣動力研究與發展中心對斜索 雨振現象進行了風洞試驗,通過測量雨振斜索上的脈動壓力分布來研究影響雨振的因素,并將雨振脈動壓力積分得到的非定常氣動力模型引入斜索雨振時的振幅計算。有關斜索雨振的機理還有待進一步研究。
風對結構的作用不僅是靜力問題,對于大跨度柔度橋梁,各類風致振動更是抗風設計時的主要內容。在大跨度橋梁的抗風設計時,除理論分析之外,更主要是通過模型風洞試驗予以確定和評價。最后指出了有關風對橋梁作用的研究中,需要進一步研究橋梁斷面的氣動參數和橋梁拉索振動這兩個問題。
