大跨徑懸索橋施工及成橋階段抗風(fēng)措施研究

龐凌飛

【摘 要】 在海拔較高的險(xiǎn)峻山區(qū)跨越地形或在河網(wǎng)海濱地區(qū)連接兩岸時(shí)，常選擇設(shè)計(jì)和建造大跨徑懸索橋，因其本身柔度大，大跨徑懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性成為要重點(diǎn)注意的問題。本文主要從大跨徑懸索橋施工和成橋兩個(gè)階段討論橋梁的抗風(fēng)性能。

【關(guān)鍵詞】 大跨徑懸索橋 施工階段 成橋階段 抗風(fēng)研究

0 引 言

隨著交通量的增長，在江河沿海及高山峽谷地區(qū)修筑跨越地形的橋梁的需求日益增加。作為大跨徑，施工工期較短的懸索橋成為常見選擇。但因其柔度大，且多修筑于風(fēng)場條件復(fù)雜的山區(qū)或河網(wǎng)地區(qū)，抗風(fēng)問題成為懸索橋工程實(shí)踐中討論的重點(diǎn)。而在施工階段和程橋階段，其本身的動(dòng)力響應(yīng)特性也有區(qū)別，本文著眼于此，查閱了現(xiàn)階段已有的相關(guān)研究資料，作出討論及總結(jié)。

1 施工階段的風(fēng)振特點(diǎn)及抗風(fēng)措施

1.1 施工階段風(fēng)振特點(diǎn) 懸索橋作為一種柔性的大跨度結(jié)構(gòu)，對其抗風(fēng)性能的考慮一直是工程建設(shè)中的重點(diǎn)。而在施工階段，其本身未形成完整的結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性能相比成橋階段較低。尤其在主梁架設(shè)時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度及風(fēng)穩(wěn)定性往往更低。根據(jù)現(xiàn)階段已有研究，本節(jié)主要對施工階段主梁假設(shè)對懸索橋抗風(fēng)性能的影響抗風(fēng)性能作討論，對它們在主梁拼裝階段的風(fēng)穩(wěn)性進(jìn)行綜合評價(jià)，得出以下結(jié)論。

（1）在主梁假設(shè)的最初階段，由于組合在吊攬上的梁段少，其本身不足以產(chǎn)生較大的氣動(dòng)力，纜索系統(tǒng)對其約束效應(yīng)明顯，因此對整體結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性影響較小。此時(shí)段內(nèi)，橋梁整體的風(fēng)穩(wěn)性較好。

（2）當(dāng)主梁假設(shè)率約在整體的百分之十到百分之二十之間時(shí)，梁段已經(jīng)產(chǎn)生了足夠的氣動(dòng)力，而纜索系統(tǒng)對其約束力較小，梁體自身剛度不足，已假設(shè)梁段對整體風(fēng)穩(wěn)性影響較大，由此造成整體抗風(fēng)性能較弱。此階段即整個(gè)施工過程中顫振風(fēng)速最低階段。

（3）當(dāng)主梁拼裝率達(dá)到約百分之四十后，整體抗風(fēng)性趨于穩(wěn)定。但在百分之六十到百分之八十之間時(shí)，又有一次較小回落，是由于此時(shí)期結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度有所減小。此階段后顫振風(fēng)速趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)抗扭剛度與抗風(fēng)性能逐漸接近成橋狀態(tài)。

1.2 施工階段的抗風(fēng)措施 在施工階段，主要通過降低顫振和抖振來提高橋梁抗風(fēng)性能。目前主要的方法有改變主梁架設(shè)順序、增設(shè)體內(nèi)索、加裝控制翼板、設(shè)置阻尼器等。

（1）改變主梁架設(shè)順序。不同的橋型，使用不同的架設(shè)順序時(shí)，其施工階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性是不同的。

（2）增設(shè)體內(nèi)索。在施工過程中，通過增加水平交叉索和豎向交叉索能提高梁體的抗扭剛度，以起到增加顫振穩(wěn)定性的效果。

（3）加裝控制翼板。其原理是通過在主梁上設(shè)置控制翼板，通過控制翼板的氣動(dòng)力平衡主梁部分的升力矩，起到提高風(fēng)穩(wěn)性的效果。

（4）設(shè)置阻尼器。這是較為常用的一種方法，不論是在施工階段和成橋階段都有使用。通過阻尼器耗散結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)的能量達(dá)到提高抗風(fēng)性能的目的。

2 成橋階段的風(fēng)振特點(diǎn)及抗風(fēng)措施

2.1 成橋階段的風(fēng)振特點(diǎn) 成橋階段與施工階段相比，橋梁整體結(jié)構(gòu)成形，剛度提高。但由于本身跨度較大，以及成橋通車后附加了車道荷載及車輛荷載，其抗風(fēng)問題較為突出。本節(jié)主要從橋塔、主梁、纜索系統(tǒng)的風(fēng)振特點(diǎn)加以討論。

（1）橋塔的風(fēng)振特點(diǎn)。由于橋塔常采用非圓的鈍體截面形式，在風(fēng)載作用下，會(huì)發(fā)生吸收能量引發(fā)的馳振及旋渦脫落引起的渦振。不論哪一種，對結(jié)構(gòu)都是不利的。

（2）主梁的風(fēng)振特點(diǎn)。大跨徑懸索橋的主梁一般采用加勁梁形式。其風(fēng)振分為顫振和抖振兩種。其中顫振是扭轉(zhuǎn)作用下的負(fù)阻尼效應(yīng)和剛度效應(yīng)。這種振動(dòng)發(fā)散后，在流線截面引起彎扭耦合顫振，在非流線引起分流顫振。

（3）纜索系統(tǒng)的風(fēng)振特點(diǎn)。纜索系統(tǒng)由主纜和吊索兩部分組成，連部分都存在馳振和渦激振動(dòng)現(xiàn)象。但主纜主要是馳振影響較大，吊索主要是渦激振動(dòng)影響較大，雨振較小。

2.2 成橋階段的抗風(fēng)措施 在制定橋梁的抗風(fēng)措施時(shí)，首先要討論不同部分結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，再具體分析對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主要影響的振動(dòng)類型，以及引起這些振動(dòng)的原因。結(jié)合這些因素，制定相應(yīng)的抗風(fēng)措施。

（1）橋塔的抗風(fēng)措施。橋塔發(fā)生馳振和顫振往往與橋塔的高度、截面形式及使用材料有關(guān)，通過改變上述影響因素可有效改變橋塔的空氣動(dòng)力響應(yīng)特性，起到抗風(fēng)的效果。

（2）主梁的抗風(fēng)措施。目前一般的方法有穩(wěn)定板法、中央開槽法、箱梁分離法、增設(shè)風(fēng)嘴等。 穩(wěn)定板法就是設(shè)置中央穩(wěn)定板或水平穩(wěn)定板，通過導(dǎo)流來提高梁體穩(wěn)定性。

（3）主纜主要面臨馳振的影響，現(xiàn)階段主纜的抗風(fēng)措施以設(shè)置機(jī)械阻尼器為主，如 TMD、TLD。

3 結(jié) 論

在大跨徑懸索橋的施工和成橋階段，橋梁抗風(fēng)是不可忽略的問題。 一是由于地形的限制，懸索橋所在的橋位附近一般風(fēng)場條件復(fù)雜，從風(fēng)荷載的等級來說，常常遇到強(qiáng)對流的大風(fēng)天氣。 另一方面是由于懸索橋本身的結(jié)構(gòu)柔度大，特別是受風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)振動(dòng)明顯。進(jìn)一步來說，在懸索橋施工和成橋階段，其本身的抗風(fēng)性能也有區(qū)別。 特別是在施工階段的主梁拼裝階段，結(jié)構(gòu)體系未形成，抗風(fēng)性能總體較差。因此更需要采用較精確的非線性模型模擬分析，制定相應(yīng)抗風(fēng)措施，確保施工合理安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 劉竹釗，何憲飛，陳艾榮. 大跨懸索橋施工過程顫振穩(wěn)定分析[ J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2002， 30（ 5）.

[2] 劉高. 增設(shè)主梁下風(fēng)側(cè)翼板抑制懸索橋架設(shè)階段顫振的研究[ J]. 工程力學(xué)， 2001， 18（ 5）. [3] 陳水盛.陳寶春.淺談鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析以及方法[J].公路.2001（02） [3] 項(xiàng)海帆， 葛耀君. 現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論及其應(yīng)用[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，2007， 29（1）： 1-13.