淺談橋梁抗風(fēng)研究

劉儒 重慶交通大學(xué) 重慶 400000

一、橋梁抗風(fēng)研究的意義

回顧1940年以來世界上主要的橋梁風(fēng)害的情況，其中典型的橋梁（Tacoma橋）被風(fēng)摧毀的事故，引起了世界橋梁工程師的注意，指出風(fēng)對橋梁破壞的嚴(yán)重程度。對于橋梁風(fēng)害的情況，回顧橋梁的被風(fēng)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?yàn)轱L(fēng)的作用而遭到毀壞。之后，到1940年，相繼有11座橋因風(fēng)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(gè)人死亡的慘劇。此外，還有一些橋梁因風(fēng)的作用而產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。其中，美國的金門大橋于1951年對其進(jìn)行實(shí)測時(shí)，發(fā)現(xiàn)該橋在8～9級風(fēng)力的作用下，主梁四分之一跨徑處的最大的豎向位移值達(dá)到了17m。如此強(qiáng)烈的振動(dòng)，給橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)中的桁架橋相繼遭到風(fēng)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(fēng)振導(dǎo)致了橋梁的加固。20世紀(jì)80年代在日本的明港西橋港上發(fā)現(xiàn)風(fēng)雨激振的現(xiàn)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(fēng)研究方法和現(xiàn)狀

目前對橋梁風(fēng)致振動(dòng)的研究方法主要有四類：理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測。本文主要介紹橋梁風(fēng)工程中的理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬這三種方法。

1.1 理論分析

根據(jù)荷載的表達(dá)方式不同，風(fēng)致振動(dòng)分析理論主要有頻域分析和時(shí)域分析。

在頻域內(nèi)分析橋梁結(jié)構(gòu)顫振的理論有經(jīng)典耦合顫振理論、分離流顫振理論和多模態(tài)顫振理論。經(jīng)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(fā)展起來的，該理論以Theodorsen自激力模型為基礎(chǔ)。

在時(shí)域內(nèi)分析橋梁結(jié)構(gòu)抖振的理論有Davenport抖振分析理論、Scanlan抖振分析理論、Scanlan多模態(tài)抖振理論。Davenport于20世紀(jì)60年代研究了橋梁結(jié)構(gòu)的抖振問題，他運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法和隨機(jī)振動(dòng)理論建立了柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)的湍流抖振響應(yīng)分析模型，并給出了抖振力模型。Davenport抖振分析理論認(rèn)為風(fēng)速的脈動(dòng)決定了風(fēng)荷載的統(tǒng)計(jì)特性，柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)響應(yīng)可以通過模態(tài)疊加求得。Davenport對抖振分析的重要貢獻(xiàn)是在功率譜中引入氣動(dòng)導(dǎo)納來修正按準(zhǔn)定常氣動(dòng)力模型計(jì)算的誤差,，引入聯(lián)合承受函數(shù)來描述氣動(dòng)力沿橋跨方向的相關(guān)性。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)模型風(fēng)洞試驗(yàn)可分為節(jié)段模型試驗(yàn)、全橋模型試驗(yàn)、拉條模型試驗(yàn) 按照懸掛方式的不同，節(jié)段模型試驗(yàn)可以分為剛性懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)、強(qiáng)迫振動(dòng)節(jié)段模型試驗(yàn)、自由振動(dòng)節(jié)段模型試驗(yàn)、彈性懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)。

1.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）模擬氣流經(jīng)過橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)周圍的流場分布情況并求解結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。這是近幾十年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與應(yīng)用能力的提高，數(shù)值模擬技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，可用于橋梁結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力參數(shù)研究的計(jì)算流體力學(xué)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(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于對實(shí)際問題建立正確的數(shù)學(xué)模型和算法。目 前，對于氣動(dòng)彈性分析的數(shù)字模擬技術(shù)，在二維模型和均勻來流條件下的計(jì)算比較成熟，正在向三維模型、紊流風(fēng)場和高雷諾數(shù)方向發(fā)展。計(jì)算流體力學(xué)的商業(yè)軟件比較多，如CFX軟件、PHOENICS軟件、FLUNET軟件等等。

二、風(fēng)荷載分類

2.1 風(fēng)的靜力作用

靜力作用指風(fēng)速中由平均風(fēng)速部分施加在結(jié)構(gòu)上的靜壓產(chǎn)生的效應(yīng)，可分為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩。在順風(fēng)平均風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)上的風(fēng)壓值不隨時(shí)間發(fā)生變化，作用與橋梁上的風(fēng)力可能來自任一方向，其中橫橋向水平風(fēng)力最為危險(xiǎn)，是主要的計(jì)算對象。它所造成的橋梁破壞的特點(diǎn)主要是強(qiáng)度破壞或過大的結(jié)構(gòu)變形。在橋梁的靜風(fēng)作用分析中，通常將風(fēng)荷載換算成靜力風(fēng)荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構(gòu)件上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。

2.2 風(fēng)的動(dòng)力作用

一個(gè)空間結(jié)構(gòu)的橋梁振動(dòng)體系在近地紊流風(fēng)作用下的空氣彈性動(dòng)力響應(yīng)是許多因素共同作用的結(jié)果，大致可分為兩大類。一類是在平均風(fēng)作用下，振動(dòng)的橋梁從流動(dòng)的風(fēng)中吸收能量，產(chǎn)生自激振動(dòng)，如彎扭藕合的古典顫振、扭轉(zhuǎn)顫振、馳振、渦激振。另一類主要是在脈動(dòng)風(fēng)作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)，包括抖振和渦激振。雖然渦激振動(dòng)也帶有自激性質(zhì)，但它和馳振或顫振的發(fā)散性振動(dòng)現(xiàn)象不同，其振動(dòng)響應(yīng)是一種強(qiáng)迫型的限幅振動(dòng)，因而具有雙重性。

三、橋梁抗風(fēng)的方法措施

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的制振方法

增加扭轉(zhuǎn)剛性對提高大跨度橋梁設(shè)計(jì)的發(fā)散振動(dòng)極限風(fēng)速是非常有效的。如在加勁桁架上設(shè)置無鋼筋網(wǎng)絡(luò)相連的行車道橋面結(jié)構(gòu)時(shí)，采用設(shè)置上下橫梁的方法形成準(zhǔn)閉合斷面可以顯著增加扭轉(zhuǎn)。另外，還可以在纜索支撐橋梁上加一些輔助設(shè)施同樣可以提高其抗風(fēng)穩(wěn)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(fā)散風(fēng)速。

3.2 空氣動(dòng)力的制振方法

斷面形狀對于對風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)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(fēng)性能好得多。但當(dāng)采用薄翼型的斷面時(shí)，受水平風(fēng)作用時(shí)，有產(chǎn)生渦激振動(dòng)的可能，薄的流線型斷面在有迎角的風(fēng)作用下，易產(chǎn)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(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)確定。另一種增加抗風(fēng)穩(wěn)定性的方法是采用桁架斷面。由于其通風(fēng)空間較箱形斷面大得多，所以靜風(fēng)阻力小得多。此外，常采用在上部結(jié)構(gòu)安裝一些附屬設(shè)施來減小風(fēng)振，如翼板、導(dǎo)流器及繞流器等。

3.3 機(jī)械構(gòu)造的制振方法

由于纜索體系橋梁的跨度較大，橋梁結(jié)構(gòu)更輕更柔，結(jié)構(gòu)的阻尼特性減弱，造成風(fēng)和車輛等因素激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)值加大，故常需要增加結(jié)構(gòu)的阻尼來抑制風(fēng)振。常常采用被動(dòng)抑振(如TMD，TLD或ID)和主動(dòng)抑振(AMD)。被動(dòng)抑振又分為調(diào)諧附加質(zhì)量方法(如TMD等)和非調(diào)諧質(zhì)量法(如ID沖擊阻尼器)。主動(dòng)抑振方法是采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如達(dá)到需要抑振時(shí)，自動(dòng)驅(qū)一套裝置改變質(zhì)量分布、剛度或阻尼等方法來抑振。

四、橋梁抗風(fēng)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(fēng)問題鋼梁橋的渦振問題 山區(qū)橋梁的抗風(fēng)問題 細(xì)長桿件的抗風(fēng)問題 施工階段橋梁的斗振問題 大跨度橋梁的抗風(fēng)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(huì)有很多的坎坷，很多的困難。