橋梁風(fēng)工程研究方法的現(xiàn)況

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510000)

大跨度橋梁風(fēng)振問題按結(jié)構(gòu)振動形式分為五類，即抖振、顫振、渦振、馳振和斜拉索風(fēng)振。本文對抖振、顫振、渦振這三個風(fēng)致振動問題的研究現(xiàn)況及研究方法介紹。

一、抖振

最先研究橋梁抖振問題的學(xué)者是Davenport，其后Scanlan和Lin等眾多學(xué)者對此也進(jìn)行了大量的研究。結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析方法一般可分為頻域法和時域法兩類以及基于頻域的可靠度研究。

(一)抖振的頻域分析方法。Davenport最早將概率統(tǒng)計(jì)的方法引入到橋梁結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)分析中，應(yīng)用隨機(jī)振動理論來分析橋梁抖振響應(yīng)的方法開辟了橋梁氣動彈性研究的新領(lǐng)域，并成為至今人們研究抖振問題的主要方法之一，在他的理論中提出了氣動導(dǎo)納的概念來修正其按標(biāo)準(zhǔn)定常氣動力模型計(jì)算的誤差為了修正準(zhǔn)定常氣動力的誤差，引入了氣動導(dǎo)納函數(shù)。Scanlan在Davenport建立的顫振分析理論基礎(chǔ)上，提出了考慮結(jié)構(gòu)自身運(yùn)動引起的自激力以及自然風(fēng)產(chǎn)生的抖振力同時作用下的顫抖振分析理論，在他的理論中特別強(qiáng)調(diào)了氣動自激力在抖振中的參與效應(yīng)。

(二)抖振時域分析方法。時域分析方法由三部分組成：流風(fēng)場模擬、氣動力計(jì)算和響應(yīng)、時域分析。由于風(fēng)工程不叫復(fù)雜而且理論不成熟，主流對時域分析方法也可以分為三種：第一種方法：Kovacs和Santos直接以準(zhǔn)定常假定為基礎(chǔ)進(jìn)行氣動力時域列式，并考慮了瞬時有效攻角和瞬時相對風(fēng)速的影響的方法；第二種方法：項(xiàng)海帆、劉春華基于Scanlan的方法，將作用在主梁上的氣動力分解為靜風(fēng)力、抖振力和自激力三項(xiàng)；第三種方法：Yang的研究基本沿用了上述思路和處理方法，但在風(fēng)場模擬中提出了更為有效的修正諧波合成法。

(三)大跨度橋梁抖振動力可靠度。結(jié)構(gòu)動力可靠度理論是近年來發(fā)展起來的隨機(jī)振動理論的一個分支，大跨度橋梁抖振動力可靠度研究是結(jié)構(gòu)動力可靠度理論在橋梁風(fēng)振領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。橋梁風(fēng)振動力可靠性可定義為：在隨機(jī)風(fēng)荷載的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性。橋梁風(fēng)振動力可靠度是指在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下，在給定時間內(nèi)不發(fā)生破壞或失效的概率。主要思路是開展橋梁抖振分析以得到抖振響應(yīng)的頻域統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)合結(jié)構(gòu)動力可靠度理論再分析抖振動力可靠度。由于該思路的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠與動力可靠度理論聯(lián)系起來，所以目前國內(nèi)學(xué)者主要采用頻域方法研究抖振響應(yīng)問題，進(jìn)而研究抖振動力可靠度。

二、顫振

橋梁顫振是一種由彈性力、慣性力、阻尼力和空氣自激力共同作用引起的現(xiàn)象。其振動為是發(fā)散的，故顫振一旦發(fā)生，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的徹底破壞，因此橋梁設(shè)計(jì)中必須避免結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生顫振。顫振的研究方法分為：理論分析法、直接試驗(yàn)法、理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法、橋梁顫振可靠度研究。

(一)顫振的研究方法。理論分析法：確定性分析相應(yīng)的分析理論或方法大致可分為二維經(jīng)典禍合顫振理論，二維分離流顫振理論和三維有限元分析方法頻域和時域分析方法。

直接試驗(yàn)法：到目前為止，還不能用純數(shù)學(xué)的方法精確描述風(fēng)繞過橋梁時對橋梁的作用力。因此，直接的風(fēng)洞試驗(yàn)方法就成為了橋梁顫振研究的一種有效的方法。根據(jù)試驗(yàn)中采用的模型形式，橋梁顫振的風(fēng)洞試驗(yàn)可分為節(jié)段模型試驗(yàn)、拉條模型試驗(yàn)和全橋氣彈模型試驗(yàn)。

理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法：由于橋梁確定性分析理論的發(fā)展，基于Scanlan對Theodorson理論為基礎(chǔ)的改進(jìn)，使得理論和試驗(yàn)相結(jié)合這一方法的誕生。基于Scanlan的分離流顫振理論，可以建立橋梁系統(tǒng)的動力學(xué)方程，通過頻域或時域的方法求解出顫振臨界風(fēng)速。

橋梁顫振可靠度研究：大跨度橋梁顫振可靠度的研究歷史較短，研究成果較少，目前世界上僅有幾座重要的橋梁采用了可靠度研究方法。目前橋梁顫振可靠度分析中采用的極限狀態(tài)方程主要有兩種：一種是上文中Ostenfeld建立的在顫振分析中建立的顫振可靠度分析的極限狀態(tài)方程；第二種是同濟(jì)大學(xué)葛耀軍等提出的橋梁顫振可靠度分析的極限狀態(tài)方程。

三、渦激振動

當(dāng)大氣邊界層中近地風(fēng)繞過橋梁時，可能會產(chǎn)生流動分離和周期性的旋渦脫落，使結(jié)構(gòu)上下或左右兩側(cè)表面出現(xiàn)交替變化的正負(fù)壓力和力矩，稱為渦激力。渦激力可能會引起結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向或扭轉(zhuǎn)方向有限振幅的振動，稱為渦激振動，也叫渦振。渦振雖然不會像顫振一樣導(dǎo)致橋梁災(zāi)難性的破壞，但是它在低風(fēng)速下也會發(fā)生，發(fā)生頻率高，有可能導(dǎo)致桿件裂紋或疲勞破壞，影響行車的舒適性和安全性。

(一)渦激振動的研究方法。目前主要采用四種方法，即理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值風(fēng)洞研究橋梁結(jié)構(gòu)渦振問題。

理論分析：理論分析的理論基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)振動理論。理論分析方法作為一種研究手段，需要有實(shí)測或者風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，來檢驗(yàn)和校核其計(jì)算的準(zhǔn)確度。主要代表有以下幾種：簡諧力模型、力振子模型、經(jīng)驗(yàn)線性模型、經(jīng)驗(yàn)非線性模型、Larson模型。在確定了渦振數(shù)學(xué)模型之后，即可利用該模型實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)渦振分析。

風(fēng)洞試驗(yàn)：風(fēng)洞試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中模擬大氣邊界層的實(shí)際風(fēng)環(huán)境和實(shí)際結(jié)構(gòu)，是一種通過模型風(fēng)效應(yīng)來考察實(shí)際結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的方法。該方法是目前使用最普遍的方法。

現(xiàn)場實(shí)測：現(xiàn)場實(shí)測是利用儀器在現(xiàn)場對實(shí)際風(fēng)環(huán)境及風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行測量，是研究風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)問題最直接和最可靠的手段，也是對橋梁風(fēng)工程研究的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性工作。然而現(xiàn)場實(shí)測仍然存在不足之處，主要表現(xiàn)在：①獲得詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)比較困難；②投資較大；③測得數(shù)據(jù)有時不理想，分析處理實(shí)測數(shù)據(jù)過程復(fù)雜，在實(shí)際研究中應(yīng)用較少。

計(jì)算風(fēng)工程：計(jì)算風(fēng)工程是研究學(xué)者基于空氣動力學(xué)原理，采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，使用數(shù)值模擬方法計(jì)算大氣邊界層中鈍體繞流而形成的一門交叉研究方向。計(jì)算風(fēng)工程的核心內(nèi)容是計(jì)算流體動力學(xué)。數(shù)值風(fēng)洞方法與直接風(fēng)洞試驗(yàn)相比較，有其優(yōu)越性?，F(xiàn)階段主要包括3種模擬分析方法：雷諾平均N—S模擬(SANS)、大渦模擬(LES)和直接數(shù)值模擬(DNS)。

四、小結(jié)

隨著橋梁工程理論的發(fā)展，對相關(guān)的學(xué)科帶來更多的挑戰(zhàn)，也要求橋梁風(fēng)工程這一學(xué)科需要不斷發(fā)展發(fā)展。橋梁風(fēng)工程是一門很復(fù)雜的學(xué)科，還有很多問題需要克服，這里只提及對橋梁風(fēng)工程中的幾個大的問題及分析方法，其中的每一項(xiàng)研究都是學(xué)者們花費(fèi)了很多的心血。目前理論還沒有完備，隨著計(jì)算機(jī)等的發(fā)展，基于可靠度理論的方法和計(jì)算風(fēng)工程的方法都需要進(jìn)一步的研究。

[1]李明水,大跨度橋梁抖振響應(yīng)的頻域分析,2000,空氣動力學(xué)學(xué)報.

[2]項(xiàng)海帆，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的現(xiàn)狀和展望，1997，空氣動力學(xué)學(xué)報.

[3]葛耀君，隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的橋梁顫振可靠性分析，2003，土木工程學(xué)報.

[4]姜天華，大跨度橋梁風(fēng)致振動控制研究，2009，武漢理工大學(xué).

[5]許福友，丁威，姜峰，張哲，大跨度橋梁渦激振動研究進(jìn)展與展望，2010，振動與沖擊.