大桥多数需要进行风洞试验，那么桥梁风洞试验的必要性及前景如何呢？

1.西南交通大学的风洞实验室简介

西南交通大学风工程试验研究中心建于1989年，现拥有风洞三座，水洞一座。 过去近二十年间，西南交通大学先后完成的100多项风工程专题研究项目，涵盖大跨度桥梁、高层建筑、环境、机车车辆和汽车等领域。

XNJD-1风洞具有双试验段， 第一试验段截面尺寸为3.6 m（宽）×3.0m（高），风速范围为0.5～22.0m/s； 第二试验段截面尺寸为2.4 m（宽）×2.0m（高），风速范围为1.0～45.0m/s。 1992年建成的工业风洞（XNJD-1）是当时全国最大的工业风洞。

XNJD-2风洞是专用雨振风洞， 出口截面尺寸为1.34 m（宽）×1.54m（高），风速范围为0.5～20.0m/s。 专门用于模拟降雨条件下的节段模型动力试验。 如图3所示。

XNJD-3风洞若按截面积计算，是目前世界上最大的风洞之一（经adda 指正。 目前世界最大的风洞是美国国家航空航天局艾姆斯中心的风洞，截面尺寸为36mx24m;中国最大的风洞是四川绵阳的军用风洞，截面尺寸为16mx12m。 有所疏忽，特此感谢），试验段尺寸为22 .5m(宽)×4.5m(高)×36.0m(长)，适合于大跨度或超大跨度桥梁的全桥模型试验，高层建筑群模型试验及污染扩散等。

目前该风洞试验群能够开展的研究包括： 1）桥梁风致振动分析、气动力特性研究模型试验研究 2）建筑结构风效应研究、建筑物风压和风致振动试验
3）汽车和机车车辆空气动力特性研究
4）大气污染扩散和工程场址风环境研究

2.风洞试验项目及抗风研究内容

在土木领域，风洞的研究对象主要为大跨度桥梁和高层建筑。 在这里主要介绍一下桥梁的抗风。

风洞的种类很多，包括低风速风洞、高风速风洞、超风速风洞、低密度风洞等。 不同的风洞适用于不同的研究对象。 在土木领域，风洞多为低风速风洞。

桥梁中的风洞试验大致可分为分为节段试验和全桥气弹试验，有时候为了研究桥址区的风场，也会做桥址区的地形试验。

节段试验采用桥梁主梁的某个节段作为试验模型，并不要求制作全桥模型，因此对风洞截面大小的要求要小一些。 在我校，桥梁的节段试验主要在XNJD-1风洞开展。

全桥气弹模型则需要截面较大的风洞。 大跨度桥梁跨径小则几百米，大则将近两千米（加上边跨），按照1： 100缩尺，风洞的宽度至少也要十多米。 如果采用更小的缩尺比，那么模型的很多细部构件将无法真实模拟（例如栏杆、检修车轨道等），试验的精准度将大打折扣。

无论是节段模型试验还是全桥模型试验，试验的三个基本内容为三分力系数测试、颤振试验和涡振试验。

一座大跨度桥梁，若位于沿海，面临着台风的威胁，若位于深山峡谷，则面临着峡谷风的威胁。 不要小瞧风的威力，由于大跨度悬索桥这类桥梁偏柔，风对桥梁的影响往往是最关键的，甚至是决定性的。 最著名的例子莫过于1937年的美国塔克马大桥的风致事故。 桥梁仅在10多米的风速下，由于颤振发散，最后垮塌。

塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州，1940年7月1日通车，四个月后却在18m/s的低风速下颤振而破坏，这戏剧性的一幕正好被一支摄影队拍摄了下来，该桥因此声名大噪。 事实上，该桥仅在启用后的几个星期，桥面便开始出现摆动，平日里的微风便能让它“随风起舞”，碰上大风天，桥面的摆动甚至可达2米之多，该桥也因此被当地居民称为“舞动的格蒂”。

在塔克马垮塌以前，桥梁工程师虽然考虑过风对桥梁的作用，但仅仅考虑了静力影响。 打个比方，好比桥静止不动，一股风出来，由于桥梁对风的阻挡，风对桥梁有个推力作用。 然后风会绕过桥梁，从桥底和桥顶通过，如果上下风速不一致，压强不一致，则会对桥梁一个竖向力的作用。 同时该竖向力大多数时候并不是前后一致的，因此会引起桥梁的扭转。

这里讲到的推力、竖向力和扭转分别对应上文提到的三分力系数测试，即阻力、升力和力矩。 这三个系数能够反映桥梁的静力稳定特征。 一般而言，桥梁的静力稳定大都能满足要求，也就是说只有在很大很大的风速下（超过100m/s），桥梁才有可能发生垮塌。

但不幸的是，风对桥梁的影响不仅仅是静力这么简单，更多的是对桥梁的动力影响，而上文提到的塔克马桥就是一个鲜明的例子，这个例子让工程师明白在风速不是特别大的情况下，桥梁依旧可能垮塌。

风对桥梁的动力影响包括颤振、涡振、驰振和抖振。 桥梁颤振是指风经过桥梁时，桥梁会发生振动，这些振动会反过来影响经过桥梁的风，然后风会引起桥梁新的振动。 某些时候，这种振动是不断吸收能量的，桥梁的振动幅度会越变越大，最后一发不可收拾，垮掉，这就是颤振。 作为具有毁灭性影响的风致灾害，这是需要在设计中完全避免的。

涡振即涡激共振。从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。 相似的有卡门涡街效应。 虽然涡 激共振不会像颤振一样引起桥梁毁灭性的破坏，但频繁持续的涡振会造成桥梁构件疲劳破坏，并引起行人和行车不舒适，因此避免涡激共振也是桥梁抗风设计的重点之一。

桥梁驰振是指在平均风作用下，作为单自由度弯曲振动的桥梁构件，由气流引起的大振幅、低频率的自激振动 。 提髙桥梁驰振临界风速的方法有:安装调质阻尼器以提高结构阻尼比，对矩形截面采用倒角以降低升力系数负斜率的绝对值，加大结构的刚度以提高弯曲基频的增加结构的密度和阻尼等。 又称“桥梁疾振”，“桥梁舞动”。

桥梁抖振是指在脉动风作用下,空间桥梁系统由阵风带中的脉动风谱所引起的随机振动。 桥梁抖振是一种具有强迫振动特性的有限振幅振动，一般不会导致桥梁的气动失稳，但由于发生抖振响应的风速低、效率大，会使构件的接头或支座等构造细节发生局部疲劳破坏，过大的抖振响应还会危及桥面行车的安全。

3.风洞试验流程及未来发展

风洞试验是一种相似试验，即需要满足相似律的要求。 为了模拟好风对桥梁的静力和动力影响，需满足外形相似（几何相似），质量和刚度相似以及雷诺数相等的外部条件。

一般来说，外形相似最易达到要求。 设计院会给出桥梁的设计图纸，我们按照图纸根据缩尺比设计出相似的结构部件，交由加工厂进行加工，然后组装完成模型。 模型的制作材料一般有木材、钢材、铝合金、塑料和玻璃钢等。

质量和刚度的相似则需要通过软件建立桥梁的数值模型，计算桥梁的动力特性，在试验中通过调试模型的自振频率来核对。 雷诺数是一个用来描述流体流动情况的无量纲数。 Re=ρvd/μ 上式中Re为雷诺数，其中v、ρ、μ分别为空气的速度、密度与黏性系数，d为特征长度。 若要试验的要求是Re与实际情况相同，从上式可以看出，在流体依旧为空气的前提下，需要在试验中大幅度提高风的速度，然而面对截面如此大的风洞，将风速提高几十倍甚至上百倍是很难很难的，因此在如今桥梁领域的风洞试验中，雷诺数几乎无法满足，只能通过经验修正。

在试验中，常用的仪器有位移传感器、风速仪（眼镜蛇探头）、和高速摄像机。 眼镜蛇探头市场价10万左右一个。

随着大跨度桥梁的建设，桥梁抗风已作为一个专题在设计中进行研究，因此抗风试验项目特别多。 记忆犹新的是，由于项目太多，风洞使用很紧张，曾有朋友在风洞试验室24小时开展试验，那酸爽~~~~最后累趴了。

我国的风洞除国家为了航天和军工项目建立了专门的风洞群外，例如四川绵阳风洞群，其他的风洞大多数都在各个高校，部分科研研究院也建立了风洞或者准备开始建立风洞。因此，企业需要开展的风洞试验大多交由高校老师协助完成。 尽管现今很多采用数值模拟的方式完成风洞试验，但其精确度一直为人诟病，因此，就桥梁抗风领域而言，风洞的发展前景很好。