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摘要： 采用理论分析及试验研究方法对风雨共同作用下的结构荷载与响应进行了研究。首先在确定风雨联合作用概率模型的基础上通过对降雨作用特性的分析，比较了雨滴冲击作用模型和空气密度等效变化模型对建筑结构等效静力的作用性能；其次，基于高精度风雨耦合荷载环境模拟试验设备，进行了风雨定常气动力荷载模型高频天平测力试验，研究了简单几何形体的风雨定常荷载变化规律；然后，采用二维悬挂系统测振试验方法，研究了风雨非定常气动力荷载模型及其结构振动响应特点；最后，对缆索承重桥梁拉索风雨激振现象进行耦合荷载环境参数精细化控制试验，揭示了拉索空间姿态、拉索动力特性、来流风速和不同雨强组合等条件对拉索风雨振的影响规律。关键词： 拉素； 风雨共同作用； 气动力荷载； 结构响应； 风洞试验
中图分类号：U488.25； TU973.2+1文献标识码： A文章编号： 10044523（2014）04050711
1概述
夏秋两季中国南方大部分地区无论是强季风还是强台风往往都伴随着强降雨，特别是袭击中国东南沿海地区的台风10 min平均风速可达40 m/s以上，伴随的日平均雨强可达到200 mm/24 h；与结构风振极值响应相关的瞬时风速可以达到60 m/s以上，相应的极端雨强亦可达到15 mm/10 min。目前风雨共同对结构作用研究最关注的问题是斜拉桥拉索的风雨激振，这是一种能够在实际结构中观测到的风雨振动现象[1，2]；降雨对基本结构构件气动特性影响的研究虽有初步进展[3，4]，但强风袭击极端荷载条件下的降雨效应对于结构静、动态影响行为的系统评价始终处于空白状态。
风雨共同作用主要关注风驱动雨（winddriven rain）对于建筑结构表面的侵蚀效应以及柔性拉索的风雨激振现象（RWIV）。已有研究证明狂风驱动骤雨对结构形成的强迫动力作用，特殊条件会极大地恶化无雨状态下单纯脉动风的湍流效应。风雨和结构之间的动力耦合作用使得原本已经十分复杂的气流与结构之间的耦合作用更加复杂[5]；对于简单圆截面形体（诸如拉索等），由于雨对结构表面形状改变而产生的气动力剧烈变化也将导致气动不稳定现象产生，风雨的两相耦合作用将使结构发生剧烈振动[6]，此类荷载作用简图见图1所示。
图1风雨共同对结构的复杂作用力示意图
Fig.1Illustration of wind and rain coupled action on structures
为深入研究结构风雨耦合条件气动力作用特点，开发了高精度人工降雨装置，可对雨量进行精细调节，能较为精确模拟雨滴大小、能量、均匀度等自然降雨的特性，结合不同气动外形节段试验模型，由浅入深地进行如下5个方面的研究工作：
1）收集气象站历史风雨作用记录数据，比较并提出优化的风雨联合作用概率分布模型；
2）从雨滴对结构的冲击作用影响和降雨引起空气密度变化影响两个角度对降雨引起的结构定常气动力变化进行了理论分析；
3）选择圆柱、方柱、矩形柱、薄平板和闭口箱梁等5种模型断面进行耦合荷载条件高频天平测力试验，通过分析定常气动力系数均值和根方差变化关系得出降雨对典形模型定常气动力影响；
4）针对圆柱、方柱、薄平板和闭口箱梁4种断面模型进行了耦合环境测振试验，分析降雨引起的圆柱模型涡振和随机抖振响应变化，和方柱模型的抖振响应变化等；而后系统地分析了降雨引起的方柱模型、薄平板模型和闭口箱梁模型的动力特性、颤振临界风速和全部气动导数的变化规律；
5）通过风雨联合作用条件下圆截面拉索的风雨激振现象的再现，系统研究了拉索空间姿态、动力特性、风速、雨量等参数在精确模拟降雨条件下对其风雨激振效应的影响。
为了进一步比较多组风速和雨量不同组合下的拉索风雨振现象，现将风雨振试验中12种风速和8种雨量共96个风速和雨量不同组合工况下拉索振动最大振幅列入图17中，仔细分析96组风雨振试验结果，可以将不同的风速和雨量分成4个区域。在小雨量和低风速区域，显然没有任何的拉索风雨振现象；在大雨量低风速区域，出现了较小振幅的拉索风雨振现象，但是风速区间较小，拉索表面有下水线存在；在小雨量和高风速区域，出现了较大振幅的拉索风雨振现象，并且风速区间很大，拉索表面出现了上下两条水线，是最重要的拉索风雨振区域；在大雨量和高风速区域，尽管拉索有振动，但拉索风雨振现象不明显，主要是拉索小幅随机抖振。
图17风雨共同作用下拉索的振动响应
Fig.17Vibration performance of cable under
wind rain coupled action5结束语
1）关于风雨共同作用测力试验，试验结果表明降雨对模型受到的定常气动力有一定影响，而雨强的变化对模型受到的作用力影响不大。
2）关于风雨共同作用测振试验，试验结果表明降雨对圆柱模型的涡振有一定的抑止作用，振幅减小达25%；降雨使流线型的圆柱抖振振幅稍有减小，而对形体较钝的方柱模型抖振响应影响不大；对于方柱模型、薄平板模型和闭口箱梁模型，颤振临界风速随雨强增大有下降的趋势，这种变化最大可达10%左右；模型振动频率和阻尼比因降雨稍有变化，降雨对结构气动导数有一定影响，对钝体断面影响比较明显，对流线形体影响较弱，且随雨强的增大而明显。
3）拉索的空间姿态对风雨振有很大影响，不同姿态下起振风速、风速范围、振幅有较大区别。风雨激振振幅随频率增大单调减小，随阻尼增大单调减小。
4）拉索风雨振受到风速和雨量的联合影响，可按振动现象不同将风速和雨量分为4个区间：在小雨量和低风速区间，仅有轻微晃动；在大雨量和低风速区间，拉索出现小幅风雨振动；在小雨量和高风速区间，拉索出现大幅风雨振现象，是最重要的风雨振区域；在大雨量和高风速区域，拉索只出现较大振幅的随机振动，无风雨振发生。 参考文献：
[1]陈政清.斜拉索风雨振现场观测与振动控制[J].建筑科学与工程学报，2005，22（4）：5—10.
Chen Z Q. Onsite observation of windrain induced vibration of stay cables and its control[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering， 2005，22（4）：5—10.
[2]顾明，李寿英，杜晓庆.斜拉桥拉索风雨激振理论模型和机理研究[J].空气动力学学报，2007，25（2）：169—174.
Gu M， Li S Y， Du X Q. Testing study on wind pressure distributions of stayed cables with a fixed artificial rivulet[J]. Acta Aerodynamica Sinica， 2007，25（2）：169—174.
[3]顾明，许树壮.风雨共同作用下平板模型的气动导数试验研究[J].土木工程学报，2004，37（10）：73—77.
Gu M， Xu S Z. An experimental study on the flutter derivatives of a thin plate model subjected to wind and rain[J]. China Civil Engineering Journal， 2004，37（10）：73—77.
[4]刘庆宽，乔富贵，杜彦良.降雨对基本构件气动特性影响的初步研究[J].石家庄铁道学院学报（自然科学版），2007，20（4）：14—18，22.
Liu Q K， Qiao F L， Du Y L. Initial research of precipitation effect on aerodynamic characteristics of basic bluff[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute， 2007，20（4）：14—18，22.
[5]武占科.风雨共同作用结构荷载模型及参数的试验研究[D].上海：同济大学，2009.
Wu Z K. Investigation of structural loading model and its parameters under wind and rain coupled action in wind tunnel[D]. Shanghai： Tongji University， 2009.
[6]许林汕.斜拉索风雨振高精度模拟降雨试验研究[D].上海：同济大学，2008.
Xu L S. Investigation of windrain induced vibration using high precision artificial raining device in wind tunnel[D]. Shanghai： Tongji University， 2008.
[7]Best A C. The size distribution of raindrops[J]. Quart. J. R. Meteorol. Soc.， 1950，76：16—36.
[8]Mualem Y， Assouline S. Mathematical model for rain drop distribution and rainfall kinetic energy[J]. Tran. Amer. Soc. Agric. Eng.， 1986，29（2）：495—500.
[9]赵震，雷恒池，陈渭民.两种不同雨滴谱分布的分析[J].南京气象学院学报，2005，28（1）：138—143.
Zhao Z， Lei H C， Chen W M. Analysis of two different raindrop size distributions[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology， 2005，28（1）：138—143.
[10]Edmund C C Choi. Winddriven rain and driving rain coefficient during thunderstorms and nonthunderstorms[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2001，89：293—308.
[11]陈文亮，唐克丽.SR型野外人工模拟降雨装置[J].水土保持研究，2000，7（4）：106—110.
Chen W L， Tang K L. A new SR style field artificial rainfall simulator[J]. Research of Soil and Water Conservation， 2000，7（4）：104—108.
[12]Hikami Y， Shiraishi N. Rainwind induced vibration of cables in cable stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1998（29）：409—418. [13]Matsumoto M. Response characteristics of rainwind induced vibration of staycable of cablestayedbridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1995，57：323—333.
[14]李文勃，林志兴，杨立波.超长斜拉索风阻系数及风雨激振的试验研究[J].振动、测试与诊断，2005，25（6）：85—90.
Li W B， Lin Z X， Yang L B. Investigation of drag coefficient and windrain induced vibration of super long cable[J]. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2004，25（6）：85—90.
Theoretic and testing investigation of windrain coupling
loads on bridges and structures
ZHAO Lin， GE Yaojun， WU Zhanke， XU Linshan
（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）
Abstract： The computational models and its parameter identification methods of windrain coupling loads on bridges and structures are presented in this paper with the aspects of joint probability distribution of wind and rain， wind and rain separated action and coupled effects on steady and unsteady forces. According to the calculation preciseness， the function of Gumbel and Copula has been selected to describe joint probability distribution of wind and rain intensity after various attempts. Firstly， Two type simple mathematic models have been tried in wind and rain separated action， including raindrop impact model and equivalent air density model， and both of them show the fact that it may be accurate enough to neglect rain influence while only considering direct rain loading action. Furthermore， through suspended 2D scaled models wind tunnel tests under the condition of wind and rain coupling loading environment， in which highfrequency dynamic forcemeasured balance and artificial rainfall system were utilized， showing that rain effect should not be neglected in steady and unsteady force models with considering coupled action of wind and rain on bridges and structures. Finally， using updated wind and rain coupling simulated equipment， systemic parameter analysis of windrain excited phenomena of stay cables were rechecked， illustrating the influence of spatial angle， dynamic character， incoming wind velocity and different density combination of wind and rain.Key words： cable； wind and rain coupling action； aerodynamic loads； structural performance； wind tunnel tests作者简介：赵林（1974—），男，博士，副研究员。电话：（021）65989304；Email： Zhaolin@tongji.edu.cn
通讯作者：何勇（1979—），男，讲师。电话：（0571）87951817608；Email： heyong-ise@zju.edu.cn
中图分类号：U488.25； TU973.2+1文献标识码： A文章编号： 10044523（2014）04050711
1概述
夏秋两季中国南方大部分地区无论是强季风还是强台风往往都伴随着强降雨，特别是袭击中国东南沿海地区的台风10 min平均风速可达40 m/s以上，伴随的日平均雨强可达到200 mm/24 h；与结构风振极值响应相关的瞬时风速可以达到60 m/s以上，相应的极端雨强亦可达到15 mm/10 min。目前风雨共同对结构作用研究最关注的问题是斜拉桥拉索的风雨激振，这是一种能够在实际结构中观测到的风雨振动现象[1，2]；降雨对基本结构构件气动特性影响的研究虽有初步进展[3，4]，但强风袭击极端荷载条件下的降雨效应对于结构静、动态影响行为的系统评价始终处于空白状态。
风雨共同作用主要关注风驱动雨（winddriven rain）对于建筑结构表面的侵蚀效应以及柔性拉索的风雨激振现象（RWIV）。已有研究证明狂风驱动骤雨对结构形成的强迫动力作用，特殊条件会极大地恶化无雨状态下单纯脉动风的湍流效应。风雨和结构之间的动力耦合作用使得原本已经十分复杂的气流与结构之间的耦合作用更加复杂[5]；对于简单圆截面形体（诸如拉索等），由于雨对结构表面形状改变而产生的气动力剧烈变化也将导致气动不稳定现象产生，风雨的两相耦合作用将使结构发生剧烈振动[6]，此类荷载作用简图见图1所示。
图1风雨共同对结构的复杂作用力示意图
Fig.1Illustration of wind and rain coupled action on structures
为深入研究结构风雨耦合条件气动力作用特点，开发了高精度人工降雨装置，可对雨量进行精细调节，能较为精确模拟雨滴大小、能量、均匀度等自然降雨的特性，结合不同气动外形节段试验模型，由浅入深地进行如下5个方面的研究工作：
1）收集气象站历史风雨作用记录数据，比较并提出优化的风雨联合作用概率分布模型；
2）从雨滴对结构的冲击作用影响和降雨引起空气密度变化影响两个角度对降雨引起的结构定常气动力变化进行了理论分析；
3）选择圆柱、方柱、矩形柱、薄平板和闭口箱梁等5种模型断面进行耦合荷载条件高频天平测力试验，通过分析定常气动力系数均值和根方差变化关系得出降雨对典形模型定常气动力影响；
4）针对圆柱、方柱、薄平板和闭口箱梁4种断面模型进行了耦合环境测振试验，分析降雨引起的圆柱模型涡振和随机抖振响应变化，和方柱模型的抖振响应变化等；而后系统地分析了降雨引起的方柱模型、薄平板模型和闭口箱梁模型的动力特性、颤振临界风速和全部气动导数的变化规律；
5）通过风雨联合作用条件下圆截面拉索的风雨激振现象的再现，系统研究了拉索空间姿态、动力特性、风速、雨量等参数在精确模拟降雨条件下对其风雨激振效应的影响。
为了进一步比较多组风速和雨量不同组合下的拉索风雨振现象，现将风雨振试验中12种风速和8种雨量共96个风速和雨量不同组合工况下拉索振动最大振幅列入图17中，仔细分析96组风雨振试验结果，可以将不同的风速和雨量分成4个区域。在小雨量和低风速区域，显然没有任何的拉索风雨振现象；在大雨量低风速区域，出现了较小振幅的拉索风雨振现象，但是风速区间较小，拉索表面有下水线存在；在小雨量和高风速区域，出现了较大振幅的拉索风雨振现象，并且风速区间很大，拉索表面出现了上下两条水线，是最重要的拉索风雨振区域；在大雨量和高风速区域，尽管拉索有振动，但拉索风雨振现象不明显，主要是拉索小幅随机抖振。
图17风雨共同作用下拉索的振动响应
Fig.17Vibration performance of cable under
wind rain coupled action5结束语
1）关于风雨共同作用测力试验，试验结果表明降雨对模型受到的定常气动力有一定影响，而雨强的变化对模型受到的作用力影响不大。
2）关于风雨共同作用测振试验，试验结果表明降雨对圆柱模型的涡振有一定的抑止作用，振幅减小达25%；降雨使流线型的圆柱抖振振幅稍有减小，而对形体较钝的方柱模型抖振响应影响不大；对于方柱模型、薄平板模型和闭口箱梁模型，颤振临界风速随雨强增大有下降的趋势，这种变化最大可达10%左右；模型振动频率和阻尼比因降雨稍有变化，降雨对结构气动导数有一定影响，对钝体断面影响比较明显，对流线形体影响较弱，且随雨强的增大而明显。
3）拉索的空间姿态对风雨振有很大影响，不同姿态下起振风速、风速范围、振幅有较大区别。风雨激振振幅随频率增大单调减小，随阻尼增大单调减小。
4）拉索风雨振受到风速和雨量的联合影响，可按振动现象不同将风速和雨量分为4个区间：在小雨量和低风速区间，仅有轻微晃动；在大雨量和低风速区间，拉索出现小幅风雨振动；在小雨量和高风速区间，拉索出现大幅风雨振现象，是最重要的风雨振区域；在大雨量和高风速区域，拉索只出现较大振幅的随机振动，无风雨振发生。 参考文献：
[1]陈政清.斜拉索风雨振现场观测与振动控制[J].建筑科学与工程学报，2005，22（4）：5—10.
Chen Z Q. Onsite observation of windrain induced vibration of stay cables and its control[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering， 2005，22（4）：5—10.
[2]顾明，李寿英，杜晓庆.斜拉桥拉索风雨激振理论模型和机理研究[J].空气动力学学报，2007，25（2）：169—174.
Gu M， Li S Y， Du X Q. Testing study on wind pressure distributions of stayed cables with a fixed artificial rivulet[J]. Acta Aerodynamica Sinica， 2007，25（2）：169—174.
[3]顾明，许树壮.风雨共同作用下平板模型的气动导数试验研究[J].土木工程学报，2004，37（10）：73—77.
Gu M， Xu S Z. An experimental study on the flutter derivatives of a thin plate model subjected to wind and rain[J]. China Civil Engineering Journal， 2004，37（10）：73—77.
[4]刘庆宽，乔富贵，杜彦良.降雨对基本构件气动特性影响的初步研究[J].石家庄铁道学院学报（自然科学版），2007，20（4）：14—18，22.
Liu Q K， Qiao F L， Du Y L. Initial research of precipitation effect on aerodynamic characteristics of basic bluff[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute， 2007，20（4）：14—18，22.
[5]武占科.风雨共同作用结构荷载模型及参数的试验研究[D].上海：同济大学，2009.
Wu Z K. Investigation of structural loading model and its parameters under wind and rain coupled action in wind tunnel[D]. Shanghai： Tongji University， 2009.
[6]许林汕.斜拉索风雨振高精度模拟降雨试验研究[D].上海：同济大学，2008.
Xu L S. Investigation of windrain induced vibration using high precision artificial raining device in wind tunnel[D]. Shanghai： Tongji University， 2008.
[7]Best A C. The size distribution of raindrops[J]. Quart. J. R. Meteorol. Soc.， 1950，76：16—36.
[8]Mualem Y， Assouline S. Mathematical model for rain drop distribution and rainfall kinetic energy[J]. Tran. Amer. Soc. Agric. Eng.， 1986，29（2）：495—500.
[9]赵震，雷恒池，陈渭民.两种不同雨滴谱分布的分析[J].南京气象学院学报，2005，28（1）：138—143.
Zhao Z， Lei H C， Chen W M. Analysis of two different raindrop size distributions[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology， 2005，28（1）：138—143.
[10]Edmund C C Choi. Winddriven rain and driving rain coefficient during thunderstorms and nonthunderstorms[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2001，89：293—308.
[11]陈文亮，唐克丽.SR型野外人工模拟降雨装置[J].水土保持研究，2000，7（4）：106—110.
Chen W L， Tang K L. A new SR style field artificial rainfall simulator[J]. Research of Soil and Water Conservation， 2000，7（4）：104—108.
[12]Hikami Y， Shiraishi N. Rainwind induced vibration of cables in cable stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1998（29）：409—418. [13]Matsumoto M. Response characteristics of rainwind induced vibration of staycable of cablestayedbridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1995，57：323—333.
[14]李文勃，林志兴，杨立波.超长斜拉索风阻系数及风雨激振的试验研究[J].振动、测试与诊断，2005，25（6）：85—90.
Li W B， Lin Z X， Yang L B. Investigation of drag coefficient and windrain induced vibration of super long cable[J]. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2004，25（6）：85—90.
Theoretic and testing investigation of windrain coupling
loads on bridges and structures
ZHAO Lin， GE Yaojun， WU Zhanke， XU Linshan
（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）
Abstract： The computational models and its parameter identification methods of windrain coupling loads on bridges and structures are presented in this paper with the aspects of joint probability distribution of wind and rain， wind and rain separated action and coupled effects on steady and unsteady forces. According to the calculation preciseness， the function of Gumbel and Copula has been selected to describe joint probability distribution of wind and rain intensity after various attempts. Firstly， Two type simple mathematic models have been tried in wind and rain separated action， including raindrop impact model and equivalent air density model， and both of them show the fact that it may be accurate enough to neglect rain influence while only considering direct rain loading action. Furthermore， through suspended 2D scaled models wind tunnel tests under the condition of wind and rain coupling loading environment， in which highfrequency dynamic forcemeasured balance and artificial rainfall system were utilized， showing that rain effect should not be neglected in steady and unsteady force models with considering coupled action of wind and rain on bridges and structures. Finally， using updated wind and rain coupling simulated equipment， systemic parameter analysis of windrain excited phenomena of stay cables were rechecked， illustrating the influence of spatial angle， dynamic character， incoming wind velocity and different density combination of wind and rain.Key words： cable； wind and rain coupling action； aerodynamic loads； structural performance； wind tunnel tests作者简介：赵林（1974—），男，博士，副研究员。电话：（021）65989304；Email： Zhaolin@tongji.edu.cn
通讯作者：何勇（1979—），男，讲师。电话：（0571）87951817608；Email： heyong-ise@zju.edu.cn