淺談橋梁抗風研究

【摘要】：十九世紀初，懸索橋的發展進入到蓬勃的發展時期。初期的懸索橋大部分在美國建造，1816年，美國在費城采用鐵絲制成主攬索，建成了第一座近代懸索橋——主跨為124m的Schwylkill瀑布人行橋，揭開了近代懸索橋發展的序幕。美國第一座跨徑超300米的懸索橋名為Wheeling Brigde，建于1849年，此橋不幸的是在1854年即被風摧毀。塔科馬舊橋于1940年建成，同年11月在19m/s的低風速下顫振而破壞，震動了世界橋梁界，從而引發了科學家們對橋梁風致振動問題的研究，形成了橋梁風工程的新學科，并將風致振動研究不斷提高到新的科學水平。隨著越來越多橋梁因風致振動而產生破壞和倒塌，風對橋梁結構的影響越來越受到橋梁工作者的重視，主要介紹了橋梁抗風的發展研究現狀，風對橋梁的荷載的分類，橋梁抗風的常用措施及在抗風方面有待提高的方面，為橋梁相關研究提供參考。中國論文網

【關鍵詞】：橋梁抗風 風致振動 動力作用

一、橋梁抗風研究的意義

回顧1940年以來世界上主要的橋梁風害的情況，其中典型的橋梁（Tacoma橋）被風摧毀的事故，引起了世界橋梁工程師的注意，指出風對橋梁破壞的嚴重程度。對于橋梁風害的情況，回顧橋梁的被風摧毀事故，其中最早可以追溯到1818年，蘇格蘭的一座橋，首先因為風的作用而遭到毀壞。之后，到1940年，相繼有11座橋因風的作用而受到不同程度的毀壞。其中英國的蘇格蘭的Tay橋的倒塌造成了75個人死亡的慘劇。此外，還有一些橋梁因風的作用而產生明顯的振動。其中，美國的金門大橋于1951年對其進行實測時，發現該橋在8～9級風力的作用下，主梁四分之一跨徑處的最大的豎向位移值達到了17m。如此強烈的振動，給橋梁結構的疲勞壽命和行車安全等的危害是不言而喻的。1962年到1983年間，日本的一座簡易的人行吊橋和一座正在架設中的桁架橋相繼遭到風毀。 斜拉橋和懸索橋方面，日本的石狩河口橋和加拿大的Hawkshaw（LongsCreek）橋等相繼因風振導致了橋梁的加固。20世紀80年代在日本的明港西橋港上發現風雨激振的現象，以及在我國的西堠門大橋一直存在的渦振的問題，對橋梁的正常使用和壽命都有著很大的影響。

二、橋梁抗風研究方法和現狀

目前對橋梁風致振動的研究方法主要有四類：理論分析、風洞試驗、數值模擬和現場觀測。本文主要介紹橋梁風工程中的理論分析、風洞試驗、數值模擬這三種方法。

1.1理論分析

根據荷載的表達方式不同，風致振動分析理論主要有頻域分析和時域分析。

在頻域內分析橋梁結構顫振的理論有經典耦合顫振理論、分離流顫振理論和多模態顫振理論。經典耦合顫振理論最早是Bleich用Theodorsen的平面薄翼理論研究懸索橋顫振而發展起來的，該理論以Theodorsen自激力模型為基礎。

在時域內分析橋梁結構抖振的理論有Davenport抖振分析理論、Scanlan抖振分析理論、Scanlan多模態抖振理論。Davenport于20世紀60年代研究了橋梁結構的抖振問題，他運用概率統計的方法和隨機振動理論建立了柔性細長結構的湍流抖振響應分析模型，并給出了抖振力模型。Davenport抖振分析理論認為風速的脈動決定了風荷載的統計特性，柔性細長結構的陣風響應可以通過模態疊加求得。Davenport對抖振分析的重要貢獻是在功率譜中引入氣動導納來修正按準定常氣動力模型計算的誤差，，引入聯合承受函數來描述氣動力沿橋跨方向的相關性。

1.2風洞試驗

橋梁結構模型風洞試驗可分為節段模型試驗、全橋模型試驗、拉條模型試驗 按照懸掛方式的不同，節段模型試驗可以分為剛性懸掛節段模型試驗、強迫振動節段模型試驗、自由振動節段模型試驗、彈性懸掛節段模型試驗。

1.3數值模擬

數值模擬是應用計算流體力學方法（CFD）模擬氣流經過橋梁結構時結構周圍的流場分布情況并求解結構表面的風荷載。這是近幾十年發展起來的一種結構風工程研究方法。隨著計算機技術的普及與應用能力的提高，數值模擬技術得到了迅速的發展，可用于橋梁結構空氣動力參數研究的計算流體力學方法有多種，如有限體積法、有限元法、有限差分法、離散渦方法。數值模擬結果的準確性和可靠性依賴于對實際問題建立正確的數學模型和算法。目 前，對于氣動彈性分析的數字模擬技術，在二維模型和均勻來流條件下的計算比較成熟，正在向三維模型、紊流風場和高雷諾數方向發展。計算流體力學的商業軟件比較多，如CFX軟件、PHOENICS軟件、FLUNET軟件等等。

二、風荷載分類

2.1風的靜力作用

靜力作用指風速中由平均風速部分施加在結構上的靜壓產生的效應，可分為順風向風力、橫風向風力和風扭轉力矩。在順風平均風的作用下，結構上的風壓值不隨時間發生變化，作用與橋梁上的風力可能來自任一方向，其中橫橋向水平風力最為危險，是主要的計算對象。它所造成的橋梁破壞的特點主要是強度破壞或過大的結構變形。在橋梁的靜風作用分析中，通常將風荷載換算成靜力風荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構件上，進行結構的計算分析。

2.2風的動力作用

一個空間結構的橋梁振動體系在近地紊流風作用下的空氣彈性動力響應是許多因素共同作用的結果，大致可分為兩大類。一類是在平均風作用下，振動的橋梁從流動的風中吸收能量，產生自激振動，如彎扭藕合的古典顫振、扭轉顫振、馳振、渦激振。另一類主要是在脈動風作用下的強迫振動，包括抖振和渦激振。雖然渦激振動也帶有自激性質，但它和馳振或顫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。

三、橋梁抗風的方法措施

3.1結構構造的制振方法

增加扭轉剛性對提高大跨度橋梁設計的發散振動極限風速是非常有效的。如在加勁桁架上設置無鋼筋網絡相連的行車道橋面結構時，采用設置上下橫梁的方法形成準閉合斷面可以顯著增加扭轉。另外，還可以在纜索支撐橋梁上加一些輔助設施同樣可以提高其抗風穩定性。比如，在懸索橋的主纜與主梁之間加中央扣可以大大提高發散風速。

3.2空氣動力的制振方法

斷面形狀對于對風敏感的結構是否穩定有重要 的作用。通常流線型斷面的形狀要比鈍體斷面的抗風性能好得多。但當采用薄翼型的斷面時，受水平風作用時，有產生渦激振動的可能，薄的流線型斷面在有迎角的風作用下，易產生顫振，所以對于各種流線型斷面的選擇也要慎重考慮，通常通過風洞試驗進行試驗確定。另一種增加抗風穩定性的方法是采用桁架斷面。由于其通風空間較箱形斷面大得多，所以靜風阻力小得多。此外，常采用在上部結構安裝一些附屬設施來減小風振，如翼板、導流器及繞流器等。

3.3機械構造的制振方法

由于纜索體系橋梁的跨度較大，橋梁結構更輕更柔，結構的阻尼特性減弱，造成風和車輛等因素激勵下結構響應值加大，故常需要增加結構的阻尼來抑制風振。常常采用被動抑振（如TMD，TLD或ID）和主動抑振（AMD）。被動抑振又分為調諧附加質量方法（如TMD等）和非調諧質量法（如ID沖擊阻尼器）。主動抑振方法是采用計算機系統進行監控，如達到需要抑振時，自動驅一套裝置改變質量分布、剛度或阻尼等方法來抑振。

四、橋梁抗風研究的未來

橋梁截面模型的有限性問題 有效主梁界面的抗風問題 鋼梁橋的渦振問題 山區橋梁的抗風問題 細長桿件的抗風問題 施工階段橋梁的斗振問題 大跨度橋梁的抗風理論 阻尼比的確定等等問題都是我們將來要面對的難題，未來的道路里會有很多的坎坷，很多的困難。

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作者簡介：劉儒，男，漢，重慶，碩士研究生，橋梁抗風，重慶交通大學，重慶，400000