虎門大橋風(fēng)致振動(dòng)U-TRIZ分析及解決方案探討

張曉利 趙敏

摘 要：以我國(guó)虎門大橋出現(xiàn)橋梁渦振現(xiàn)象為例，列舉了橋梁風(fēng)致振動(dòng)成因和振動(dòng)類型，針對(duì)虎門大橋的風(fēng)振問(wèn)題進(jìn)行功能分析，并對(duì)世界范圍內(nèi)橋梁風(fēng)致振動(dòng)案例進(jìn)行解析，從而提出橋梁風(fēng)致振動(dòng)U-TRIZ解決方案。

關(guān)鍵詞：懸索橋;風(fēng)致振動(dòng);橋梁渦振

中圖法分類號(hào)：U441.3;U448.25 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0308

2020年5月5日下午，我國(guó)虎門大橋出現(xiàn)橋梁渦振現(xiàn)象，當(dāng)日風(fēng)力5至6級(jí)，最高達(dá)到6級(jí)（6級(jí)風(fēng)速為10.8～13.8m/s）。直至6日凌晨，虎門大橋仍有肉眼可見的輕微振動(dòng)。12日，專家權(quán)威發(fā)布大橋振動(dòng)原因，并表示關(guān)鍵橋梁構(gòu)件未發(fā)生異常，橋梁結(jié)構(gòu)總體安全。16日，虎門大橋恢復(fù)通航?；㈤T大橋是連接廣州市南沙區(qū)與東莞市虎門鎮(zhèn)的跨海大橋，為珠江三角洲地區(qū)環(huán)線高速公路重要組成部分，于1997年建成通車，防撞等級(jí)為30MN，防震等級(jí)為7級(jí)，防臺(tái)等級(jí)為61m/s，車流量大，常處于飽和狀態(tài)。

1 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)成因和振動(dòng)類型

此次虎門大橋的振動(dòng)是由于風(fēng)致引起。為了避開超深水基礎(chǔ)的施工困難和滿足超大型船舶的通航要求，同時(shí)考慮施工和造價(jià)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大力興建大跨徑鋼構(gòu)橋，橋梁結(jié)構(gòu)向著跨度更大、更柔性的方向發(fā)展。如表1所示。

表1 ? ?國(guó)內(nèi)外大跨徑橋梁

更大跨度、更加柔性的橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)使橋梁周圍空氣繞流對(duì)稱性的破缺更容易誘發(fā)橋梁振動(dòng)。僅從1818年到19世紀(jì)末，世界上由風(fēng)引起的橋梁振動(dòng)已至少毀壞了十多座懸索橋。2010年5月，俄羅斯伏爾加河大橋發(fā)生離奇晃動(dòng)，橋面呈浪型翻滾，出現(xiàn)較為明顯的左右晃動(dòng)，另外法國(guó)的Brotonne橋、丹麥的Faro橋、日本的名港西橋以及我國(guó)的上海楊浦大橋、武漢長(zhǎng)江二橋、南京長(zhǎng)江二橋的拉索均發(fā)生過(guò)振幅很大的風(fēng)致振動(dòng)。

大量研究和實(shí)踐表明，大跨徑懸索橋風(fēng)致振動(dòng)是正常現(xiàn)象，長(zhǎng)期振動(dòng)將造成結(jié)構(gòu)件疲勞損壞，只能設(shè)法抑制和減少，但是無(wú)法全部消除。對(duì)于大跨度橋梁主梁（橋面）來(lái)說(shuō)，風(fēng)致振動(dòng)主要包括渦振、顫振、抖振、馳振。橋梁風(fēng)致振動(dòng)有兩大類，強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng);強(qiáng)迫振動(dòng)又可以導(dǎo)致顫振、弛振和渦振，自激振動(dòng)可以產(chǎn)生渦振和抖振。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)與空氣振動(dòng)耦合程度不高，或者橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較小時(shí)，主要導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)——隨機(jī)抖振;當(dāng)空氣與橋梁結(jié)構(gòu)相互影響巨大，受振動(dòng)結(jié)構(gòu)反饋?zhàn)饔玫目諝饬t主要表現(xiàn)為一種自激作用，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)——顫振或者馳振。

（1）顫振

橋梁顫振是一種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。風(fēng)的動(dòng)力作用激發(fā)了橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)又反過(guò)來(lái)影響空氣的流場(chǎng)、改變空氣力，形成了風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制。當(dāng)結(jié)構(gòu)通過(guò)氣流的反饋?zhàn)饔貌粩鄰臍饬髦蝎@取能量，該能量又大于系統(tǒng)因機(jī)械阻尼所耗散的能量時(shí)，引起結(jié)構(gòu)發(fā)散振動(dòng)，這種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象就是橋梁顫振。

（2）抖振

抖振主要由大氣中的紊流成分（即脈動(dòng)風(fēng)）所激起，是一種隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。雖然是一種限幅振動(dòng)，但由于發(fā)生抖振的風(fēng)速低，頻率大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部疲勞，影響行人和車輛行駛安全。隨著橋梁跨度的增加，結(jié)構(gòu)的柔性增加，抖振也會(huì)相應(yīng)增大;且隨著風(fēng)速的增大，抖振相應(yīng)（振幅及結(jié)構(gòu)內(nèi)力）會(huì)成倍增大。

（3）馳振

馳振是對(duì)于非圓形的邊長(zhǎng)比在一定范圍內(nèi)類似于矩形斷面的鈍體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，由于升力曲線的負(fù)斜率效應(yīng)，微幅振動(dòng)的結(jié)構(gòu)能夠從風(fēng)流中不斷吸收能量，當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速時(shí)，結(jié)構(gòu)吸收的能量將克服結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量，形成一種分散的橫風(fēng)向單自由度彎曲自激振動(dòng)。

（4）渦激振動(dòng)

同抖振一樣，渦激振動(dòng)是橋梁在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生的限幅振動(dòng)。渦激振動(dòng)是由于風(fēng)流經(jīng)各種斷面形狀（圓形、矩形、多邊形等）的鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)有可能發(fā)生漩渦的脫落，出現(xiàn)兩側(cè)交替變化的渦激力。當(dāng)渦激脫落頻率接近或等于結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，由此激發(fā)出結(jié)構(gòu)共振。

上述振動(dòng)現(xiàn)象中，對(duì)大跨度橋梁產(chǎn)生較大危害的是顫振和渦振。

拉索橋或者懸索橋是一種主梁（橋面）、支承塔柱受壓、拉索受拉的結(jié)構(gòu)體系，是一種由索、塔、梁三種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)，都是承重構(gòu)件。斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系決定了橋塔、拉索、主梁（橋面）三者相互影響，塔和梁借橋塔引出的斜拉索聯(lián)結(jié)成整體結(jié)構(gòu)，斜拉索作為加勁梁跨間的彈性中間支承，其風(fēng)致振動(dòng)具有較強(qiáng)的組合效應(yīng)。橋塔結(jié)構(gòu)高聳、構(gòu)形尺寸大、相對(duì)輕柔?，F(xiàn)代斜拉橋多采用密索結(jié)構(gòu)，拉索輕柔超長(zhǎng)，重量輕，而斜拉索長(zhǎng)短不一，降低了梁跨的載向彎矩，其固有頻率的涵蓋范圍較寬泛，風(fēng)致振動(dòng)可能激發(fā)拉索的參數(shù)共振，拉索的風(fēng)荷載與主梁（橋面）風(fēng)荷載是兩種主要風(fēng)致振動(dòng)組件，有時(shí)拉索的風(fēng)荷載更為劇烈。如圖1所示。

2 ?虎門大橋風(fēng)振U-TRIZ功能分析

虎門大橋是當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的公路橋梁，也是中國(guó)首座加勁鋼箱梁懸索結(jié)構(gòu)橋梁，其主跨長(zhǎng)度居當(dāng)時(shí)中國(guó)同類橋梁中的第一位，副跨長(zhǎng)度居當(dāng)時(shí)世界同類橋梁中的第一位?；㈤T大橋橋面凈寬30m，設(shè)計(jì)速度為120km/h，道路規(guī)模為雙向六車道，設(shè)中央分隔帶和緊急停車帶，通行能力為12萬(wàn)輛次（小型客車）/d，防臺(tái)等級(jí)為61m/s?；㈤T大橋在中國(guó)國(guó)內(nèi)首次采用GPS實(shí)時(shí)三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程，橋裝配了多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀況和記錄橋梁在地震時(shí)的反應(yīng)。

2.1 ?虎門大橋技術(shù)系統(tǒng)和超系統(tǒng)

U-TRIZ是由趙敏、張武城等為首的一批中國(guó)TRIZ研究者，在分析、比較了多個(gè)國(guó)際TRIZ流派的理論要點(diǎn)后，以經(jīng)典TRIZ和部分現(xiàn)代TRIZ的精華為基礎(chǔ)，合理取舍重組，結(jié)合客觀世界中的“三元論（物質(zhì)、能量、信息）”，經(jīng)過(guò)理論創(chuàng)新后提出來(lái)的TRIZ理論分支。“以功能為導(dǎo)向，以屬性為核心”是該理論的精華和與眾不同之處。在分析解決疑難復(fù)雜問(wèn)題上有較大優(yōu)勢(shì)。

功能是把“發(fā)出動(dòng)作的主體”去掉后，僅保留了“動(dòng)作”和“作用對(duì)象”的一個(gè)抽象概念。功能分析是按照功能的基本定義，來(lái)建立所有系統(tǒng)組件模型相互作用的一種分析方式，通常分析的結(jié)果是要畫出“功能分析圖”。為了畫好功能分析圖，通常需要先明確發(fā)生問(wèn)題的具體場(chǎng)景，以圖示的方式清晰表示所分析對(duì)象（技術(shù)系統(tǒng)）的基本組成和與環(huán)境（超系統(tǒng)）之間的關(guān)系。虎門大橋技術(shù)系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件，如圖2所示。

應(yīng)用U-TRIZ的功能分析，建立虎門大橋系統(tǒng)組件模型，即列出組成技術(shù)系統(tǒng)、子系統(tǒng)的各個(gè)組件以及相關(guān)的超系統(tǒng)中所有參與作用的組件，描述出各組件的系統(tǒng)所屬關(guān)系?；谙到y(tǒng)組件的相互關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)應(yīng)該至少由兩個(gè)系統(tǒng)組件（子系統(tǒng)或元件）所構(gòu)成，如圖3所示。

虎門大橋主航道橋?yàn)閱慰珉p鉸簡(jiǎn)支鋼箱梁懸索橋，為連續(xù)剛構(gòu)梁式橋，由東西索塔、東西錨碇、主纜、吊索和加勁梁等五大結(jié)構(gòu)部分組成。虎門大橋主纜主跨徑888m，主纜直徑687.2mm（孔隙率20%）;每根主纜由110束索股組成，每束索股含127根直徑5.2mm鋼絲，一般標(biāo)準(zhǔn)索股重34.8t。大橋吊索直徑52mm、間距12m，邊吊索距塔中心18m。大橋加勁梁箱梁寬35.6m，橋軸中心處梁高3.012m，橋面鋪設(shè)6cm厚瀝青混凝土;兩橋塔處伸縮縫最大伸縮量為1.5m。東西索塔的每個(gè)塔樁底分別由16根直徑為2m、12根直徑為2m的鉆孔灌注樁組成;東西索塔從基頂面算起高147.55m、從橋面算起高89.66m;塔柱頂平面為邊長(zhǎng)5.6m正方形、底平面尺寸為5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下系梁為界分別為0.6m、0.75m和0.95m;東西錨碇承受主纜拉力分別為2×172600KN、2×174400KN。

氣流（風(fēng)）、重力、江水和地基（江床）共同構(gòu)成了虎門大橋的超系統(tǒng)環(huán)境。

2.2 ?虎門大橋的系統(tǒng)組件及相互作用分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型是在已經(jīng)列出了所有必要的系統(tǒng)組件模型的基礎(chǔ)上，描述各組件之間的相互作用關(guān)系——人字網(wǎng)格交叉線。遍歷每?jī)蓚€(gè)組件之間可能的相互作用關(guān)系，如圖4所示。

2.3 ?虎門大橋的系統(tǒng)功能模型

應(yīng)用U-TRIZ的系統(tǒng)功能模型分析，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識(shí)別其功能類別，并用不同的連線和箭頭來(lái)把所有的系統(tǒng)組件之間所存在的功能，以“SVO/VOP”的標(biāo)準(zhǔn)格式表示出來(lái)，畫出系統(tǒng)功能模型圖。

系統(tǒng)功能模型圖是輔助我們進(jìn)行功能分析、發(fā)現(xiàn)并消除不良功能的圖示化工具。對(duì)從分析過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)中的有害功能必須首先予以消除;對(duì)于充分有用的功能必須予以確保實(shí)現(xiàn)或者予以增強(qiáng)。虎門大橋無(wú)風(fēng)時(shí)的系統(tǒng)功能模型，如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)組件的屬性分析

橋梁是處于大氣邊界層中的結(jié)構(gòu)物，在自然風(fēng)的作用下將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，甚至造成結(jié)構(gòu)毀壞、疲勞或過(guò)大變形及內(nèi)力等問(wèn)題。本文中主要針對(duì)虎門大橋的風(fēng)振問(wèn)題進(jìn)行功能分析，因此，針對(duì)振動(dòng)的肇事者：風(fēng)（功能載體）進(jìn)行屬性分析、風(fēng)與橋梁組件的相互作用以及相互作用中產(chǎn)生的新屬性分析。

（1）風(fēng)的自然屬性

風(fēng)力是空氣通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力現(xiàn)象，風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，風(fēng)的自然屬性包括風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)量、風(fēng)壓以及交變性，風(fēng)致振動(dòng)的成因必須從風(fēng)的屬性入手，反復(fù)的風(fēng)振動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)件的破壞，與結(jié)構(gòu)物的幾何形狀有密切關(guān)系。實(shí)際中常把風(fēng)分為平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)（陣風(fēng)脈動(dòng)）加以分析。平均風(fēng)是風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物作用力的速度、方向均不隨時(shí)間而改變的物理量;脈動(dòng)風(fēng)則是由于風(fēng)的不規(guī)則性引起的，其強(qiáng)度和頻率等屬性參數(shù)是隨時(shí)間按隨機(jī)規(guī)律變化的。如圖6所示。

（2）風(fēng)與橋梁組件相互作用產(chǎn)生的新屬性

在風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的風(fēng)荷載導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓曲變形，這種撓曲實(shí)際上改變了流體流動(dòng)的走向，從而改變了橋面不同截面的壓差，造成橋梁風(fēng)致振動(dòng)，而振動(dòng)起來(lái)的橋梁又可能反過(guò)來(lái)改變周圍空氣和壓力，反過(guò)來(lái)又影響橋梁形變，這樣形成了風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)的耦合相互作用。因此，研究風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用主要就是研究氣動(dòng)力和橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間的相互作用。例如：風(fēng)的交變氣流，對(duì)風(fēng)中的物體，產(chǎn)生多種流體作用力，如卡門渦街效應(yīng)。如圖7所示。

在滿足橋梁承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，出于成本的考慮，相對(duì)于跨度而言，斜拉橋一般都設(shè)計(jì)得輕巧柔細(xì)，因此在力學(xué)本質(zhì)上斜拉橋?qū)儆谝环N高度柔性結(jié)構(gòu)，因此橋梁的大跨度柔性結(jié)構(gòu)必須考慮非線性因素計(jì)算和分析。如圖8所示。

斜拉橋輕柔的主纜、吊索隨風(fēng)擺動(dòng)帶動(dòng)吊索底端上下起伏、風(fēng)致擺動(dòng)起伏都強(qiáng)烈地體現(xiàn)了橋梁柔性結(jié)構(gòu)的非線性。在使用荷載作用下，斜拉橋各構(gòu)件截面應(yīng)力基本上仍處于彈性范圍內(nèi)，但斜拉橋往往已經(jīng)產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)變形，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的大位移小應(yīng)變的幾何非線性效應(yīng)，且隨著跨度不斷增大這種非線性效應(yīng)愈顯著;此外，斜拉橋中大量使用較長(zhǎng)的柔性斜索，無(wú)疑也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)體系的非線性受力特征。如圖9所示。

風(fēng)力分別作用于主纜、吊索和橋面產(chǎn)生的相互作用和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，如表2所示：

表2 ? ?風(fēng)力作用于橋梁各組件的表現(xiàn)

卡門渦街效應(yīng)是橋梁在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生的限幅振動(dòng)，在主纜、吊索和橋面等處都可能會(huì)發(fā)生。卡門渦街效應(yīng)的作用原理是由于風(fēng)流經(jīng)圓形、矩形、多邊形等各種不同形狀的斷面時(shí)，其物體形狀的鈍體結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生風(fēng)導(dǎo)致的漩渦脫落，出現(xiàn)鈍體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載兩側(cè)交替變化的渦激力。當(dāng)渦激脫落頻率接近或等于結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)激發(fā)出風(fēng)荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的共振，導(dǎo)致橋面產(chǎn)生水平橫向振動(dòng)（擺動(dòng)）。如圖10所示。

一旦渦激共振產(chǎn)生，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率對(duì)漩渦的脫落頻率的反饋?zhàn)饔?，使得漩渦脫落的頻率在相當(dāng)長(zhǎng)的風(fēng)速范圍內(nèi)被結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率所“俘獲”，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率被“鎖死”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象進(jìn)一步加劇了渦激共振效應(yīng)，進(jìn)一步拓寬了風(fēng)的頻率范圍，進(jìn)一步導(dǎo)致了橋面的水平豎向振動(dòng)（波浪形振動(dòng)），如圖11所示。

當(dāng)橋面的水平橫向振動(dòng)與水平豎向振動(dòng)疊加后，因?yàn)榍懊婢植拷Y(jié)構(gòu)和阻尼的影響，會(huì)進(jìn)一步形成水平方向的限幅扭轉(zhuǎn)振動(dòng)——扭振（參見下面舊塔科馬大橋案例），對(duì)大橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很強(qiáng)的、具有馬太效應(yīng)的破壞作用，最終導(dǎo)致纜索和橋面斷裂，大橋坍塌。

當(dāng)空氣力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較小時(shí)，空氣力作為一種強(qiáng)迫力，主要導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)——隨機(jī)抖振;當(dāng)空氣力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大時(shí)，受振動(dòng)結(jié)構(gòu)反饋?zhàn)饔玫目諝饬t主要表現(xiàn)為一種自激作用，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)——顫振或者馳振。這兩種振動(dòng)如果長(zhǎng)期存在，將對(duì)某些橋梁結(jié)構(gòu)件造成微觀上的疲勞損壞，最終損壞大橋結(jié)構(gòu)。

3 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)案例解析

3.1 ?舊塔科馬大橋的縱波振動(dòng)與扭振

以著名的舊塔科馬海峽大橋（Old Tacoma Narrows Bridge）為例：舊塔科馬海峽大橋?yàn)榧?xì)長(zhǎng)型橋梁，該橋的寬跨比為1/71.6，高跨比為1/348。該橋的類 H 型板梁的抗扭剛度幾乎等于零，因此，即使增加了中央扣和橋塔處的液壓緩沖器等抑振措施，但是細(xì)柔性橋梁仍然在很低的風(fēng)速下也出現(xiàn)了水平豎向振動(dòng)。

舊塔科馬大橋于低風(fēng)速自然風(fēng)作用下的毀壞，旋渦沿橋面的“飄移”，而使得升力的作用點(diǎn)隨旋渦同時(shí)漂移，進(jìn)而使升力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩作功由負(fù)向正轉(zhuǎn)化，宏觀上造成了主梁（橋面）的顫振扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。先發(fā)生豎向振動(dòng)，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)橄薹まD(zhuǎn)振動(dòng)，并最終發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，豎向振動(dòng)的形式與渦激振動(dòng)特性相符。如圖12所示。

國(guó)內(nèi)研究比較趨向于認(rèn)定自激氣動(dòng)力說(shuō)是橋梁振動(dòng)的直接原因，而根本原因則是置于流場(chǎng)中的斷面周圍形成的復(fù)雜旋渦。就舊塔科馬橋而言，由于中間腹板的存在，而使得氣流在通過(guò)迎風(fēng)側(cè)翼緣和背風(fēng)側(cè)翼緣時(shí)會(huì)形成兩種不同形式的旋渦即單剪切流形成的旋渦和雙剪切流發(fā)生的旋渦是共存。這次教訓(xùn)使科學(xué)家和橋梁工程師們認(rèn)識(shí)到，懸索橋的加勁主梁（橋面）必須具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度和氣動(dòng)性能良好的斷面型式，并一致認(rèn)為板式加勁主梁（橋面）具有氣動(dòng)不穩(wěn)定性。

3.2 ?伏爾加河大橋“波浪形抖動(dòng)”

伏爾加河大橋于2009年10月10日竣工通車，大橋全長(zhǎng)7km。2010年5月19日晚，大橋橋面突然發(fā)生離奇的“蛇形共振”——水平豎向振動(dòng)，大橋晃動(dòng)呈波浪型，上下幅度達(dá)1m，并發(fā)出震耳欲聾的聲音。當(dāng)天伏爾加格勒是多云，強(qiáng)風(fēng)的天氣，大橋共振現(xiàn)象可能因風(fēng)波動(dòng)和負(fù)載所共振而發(fā)生。

4 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)U-TRIZ解決方案

4.1 ?功能的規(guī)范化定義與再抽象——從SVO、VO到VP

應(yīng)用U-TRIZ功能分析，橋梁風(fēng)致振動(dòng)的最終結(jié)果是導(dǎo)致橋面的橫向水平振動(dòng)、豎向水平振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，采取何種措施控制橋面穩(wěn)定性是U-TRIZ的終極目的。按照U-TRIZ的創(chuàng)新思維“歸納-演繹”中的“凝練概念模型”步驟。采用語(yǔ)義表達(dá)

（1）基本語(yǔ)義表達(dá)：首先假定采用阻尼來(lái)控制橋梁的穩(wěn)定性。因此“阻尼控制橋梁”是實(shí)現(xiàn)該功能的完整語(yǔ)句。

但是該語(yǔ)義表達(dá)存在缺陷：一是首先假定了語(yǔ)義表達(dá)的主語(yǔ)“阻尼”，二是沒(méi)有說(shuō)明控制橋梁的何種屬性。討論一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的功能時(shí)，應(yīng)該聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。

（2）將S主語(yǔ)去掉，真正定義功能。

（3）對(duì)動(dòng)詞V和作用對(duì)象的規(guī)范化，即清晰描述控制物質(zhì)的屬性，抽象“橋梁”為一般物質(zhì)。把功能抽象出來(lái)的好處是，可以把具體問(wèn)題一般化處理，形成一般化的問(wèn)題，其引導(dǎo)思考更為廣泛的、多樣化的功能解決方案，去尋找廣義的、更多類型U-TRIZ所定義的功能的實(shí)現(xiàn)。

（4）對(duì)物質(zhì)屬性和參數(shù)的規(guī)范化，即清晰描述操控物質(zhì)的動(dòng)作，“控制”修改為“穩(wěn)定”，控制物質(zhì)的穩(wěn)定性就是要使物質(zhì)保持原有位置的能力，這樣描述更加刻畫了語(yǔ)義表達(dá)的本質(zhì)。

依據(jù)“穩(wěn)定·位置”，檢索“屬性參數(shù)-效應(yīng)-功能”表，得到83個(gè)效應(yīng)，如圖13所示。

從中可以挑選合適的原理解和概念解，進(jìn)而在選定的原理解或者概念解之上尋找更為合適的技術(shù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)既定功能，即尋找技術(shù)體系的真正應(yīng)用場(chǎng)景和主語(yǔ)——S。

4.2 ?討論解決方案1

保持橋梁穩(wěn)定是對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)的終極目的，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)施了很多保持橋梁穩(wěn)定的方法，很多措施的實(shí)施效果也很不錯(cuò)。

（1）改變橋面形狀

橋面扭曲和振動(dòng)是風(fēng)致振動(dòng)的最終體現(xiàn)，而橋面的結(jié)構(gòu)和形狀也是風(fēng)致振動(dòng)的最直接的屬性，因此，改變橋面與風(fēng)之間的相互作用的屬性能產(chǎn)生直接的止振效果。如圖14所示。

（2）增加阻尼

增加阻尼可以提高氣動(dòng)穩(wěn)定性或者降低風(fēng)振響應(yīng)，是消減振動(dòng)的常用方案，如，臺(tái)灣101大樓阻尼器。

阻尼有調(diào)諧式和非調(diào)諧式，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱TMD），相當(dāng)于增加結(jié)構(gòu)阻尼。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)速區(qū)間、振幅和攻角是與渦振密切相關(guān)的三個(gè)因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有較大振幅的振動(dòng)。懸索橋固有阻尼很小，容易出現(xiàn)渦振，而且阻尼比隨著模態(tài)頻率升高而降低。阻尼比離散性很大，大型橋梁的阻尼比有待于進(jìn)一步研究。

阻尼器實(shí)體進(jìn)化路徑：固→粉→液→氣→場(chǎng)

目前阻尼發(fā)展出了更多類型：渦流阻尼，擺，質(zhì)量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本東京灣大橋TMD采用液壓粘滯阻尼器抑制渦激振動(dòng)。如圖15所示。

阻尼器場(chǎng)進(jìn)化路徑：機(jī)→聲→熱→化→電→磁→電磁

（3）改變自身固有頻率，消減振動(dòng)

當(dāng)激勵(lì)頻率與固有頻率相等或者接近時(shí)，才會(huì)發(fā)生共振。因此，共振頻率不一定完全與固有頻率相等，共振頻率是以外界的激勵(lì)頻率來(lái)衡量的，而固有頻率是從橋梁結(jié)構(gòu)角度談?wù)摰?。在很多情況下，共振不是發(fā)生在單一頻率（固有頻率）處，而是具有一定寬度的共振帶。也就是存在一個(gè)頻率區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)容易發(fā)生共振。一般認(rèn)為，當(dāng)激勵(lì)頻率大于固有頻率40%以上時(shí)才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。

當(dāng)外界激勵(lì)頻率無(wú)法更改時(shí)，我們可以改變自身固有頻率消減振動(dòng)。增加阻尼會(huì)影響橋梁的阻尼比，但是阻尼對(duì)橋梁的固有頻率影響不大。而要改變橋梁的固有頻率，增加結(jié)構(gòu)措施，需要從結(jié)構(gòu)、大小、形狀等因素考慮，增加結(jié)構(gòu)的總體剛度，如質(zhì)量、中央扣、輔助索等。

例如：輔助索用數(shù)道細(xì)索將部分或者全部主索連接起來(lái)，通過(guò)將原本獨(dú)立的各主索彼此聯(lián)成一個(gè)索網(wǎng)，使原來(lái)主索獨(dú)立的振動(dòng)被約束成索網(wǎng)系統(tǒng)的整體振動(dòng)，從而提高主索的剛度。如圖16所示。

（4）設(shè)法不讓各種組件振動(dòng)的頻率不同，避免共振

4.3 ?討論解決方案2

（1）改變橋面形狀，添加多種機(jī)械裝置，達(dá)到效應(yīng)：平衡，機(jī)械力等等。

（2）既有方案

添加多種形狀的阻風(fēng)板、擾流板。氣動(dòng)措施：改善橋梁結(jié)構(gòu)的繞流特性，從而減小激勵(lì)外力，如開敞式橋面、風(fēng)嘴、中央穩(wěn)定版、導(dǎo)流板、拉索的表面加工。

（3）新方案

添加空氣囊;改變表面形狀（鯊魚皮結(jié)構(gòu)微型裝置）;破除渦流的鋸齒結(jié)構(gòu);中間增加鋼鏈定位裝置等。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面形狀的板、囊、齒等裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強(qiáng)風(fēng)時(shí)有，常態(tài)時(shí)無(wú)。

可充氣異形氣囊;可收縮和擺動(dòng)的阻風(fēng)板;可收縮的破除渦流齒;可旋轉(zhuǎn)收放鋼鏈（下落連接江中的重物，機(jī)械約束振幅最大的中間位置）等。

4.4 ?討論解決方案3

（1）改變自身固有頻率，消減振動(dòng)，增加阻尼是消減振動(dòng)的常用方案

阻尼，渦流阻尼，擺，質(zhì)量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼…

（2）既有方案

擺放水馬，增加機(jī)械阻尼裝置。

（3）新方案

橋面下方加裝空水箱;增加可動(dòng)配重，加裝電磁阻尼器。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面固有頻率的各類阻尼裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強(qiáng)風(fēng)時(shí)有，常態(tài)時(shí)無(wú)。

橋面下方增加多個(gè)空水箱，聯(lián)通水管，強(qiáng)風(fēng)時(shí)抽江水給水箱注水。

增加可動(dòng)配重，無(wú)風(fēng)時(shí)分列橋塔兩側(cè)，有風(fēng)時(shí)牽引至橋面下方中央位置。

電磁阻尼器感知現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)波，實(shí)時(shí)生成并疊加反向振動(dòng)波，抑制振幅。

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2020年5月5日下午，我國(guó)虎門大橋出現(xiàn)橋梁渦振現(xiàn)象，當(dāng)日風(fēng)力5至6級(jí)，最高達(dá)到6級(jí)（6級(jí)風(fēng)速為10.8～13.8m/s）。直至6日凌晨，虎門大橋仍有肉眼可見的輕微振動(dòng)。12日，專家權(quán)威發(fā)布大橋振動(dòng)原因，并表示關(guān)鍵橋梁構(gòu)件未發(fā)生異常，橋梁結(jié)構(gòu)總體安全。16日，虎門大橋恢復(fù)通航?；㈤T大橋是連接廣州市南沙區(qū)與東莞市虎門鎮(zhèn)的跨海大橋，為珠江三角洲地區(qū)環(huán)線高速公路重要組成部分，于1997年建成通車，防撞等級(jí)為30MN，防震等級(jí)為7級(jí)，防臺(tái)等級(jí)為61m/s，車流量大，常處于飽和狀態(tài)。

1 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)成因和振動(dòng)類型

此次虎門大橋的振動(dòng)是由于風(fēng)致引起。為了避開超深水基礎(chǔ)的施工困難和滿足超大型船舶的通航要求，同時(shí)考慮施工和造價(jià)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大力興建大跨徑鋼構(gòu)橋，橋梁結(jié)構(gòu)向著跨度更大、更柔性的方向發(fā)展。如表1所示。

表1 ? ?國(guó)內(nèi)外大跨徑橋梁

更大跨度、更加柔性的橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)使橋梁周圍空氣繞流對(duì)稱性的破缺更容易誘發(fā)橋梁振動(dòng)。僅從1818年到19世紀(jì)末，世界上由風(fēng)引起的橋梁振動(dòng)已至少毀壞了十多座懸索橋。2010年5月，俄羅斯伏爾加河大橋發(fā)生離奇晃動(dòng)，橋面呈浪型翻滾，出現(xiàn)較為明顯的左右晃動(dòng)，另外法國(guó)的Brotonne橋、丹麥的Faro橋、日本的名港西橋以及我國(guó)的上海楊浦大橋、武漢長(zhǎng)江二橋、南京長(zhǎng)江二橋的拉索均發(fā)生過(guò)振幅很大的風(fēng)致振動(dòng)。

大量研究和實(shí)踐表明，大跨徑懸索橋風(fēng)致振動(dòng)是正常現(xiàn)象，長(zhǎng)期振動(dòng)將造成結(jié)構(gòu)件疲勞損壞，只能設(shè)法抑制和減少，但是無(wú)法全部消除。對(duì)于大跨度橋梁主梁（橋面）來(lái)說(shuō)，風(fēng)致振動(dòng)主要包括渦振、顫振、抖振、馳振。橋梁風(fēng)致振動(dòng)有兩大類，強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng);強(qiáng)迫振動(dòng)又可以導(dǎo)致顫振、弛振和渦振，自激振動(dòng)可以產(chǎn)生渦振和抖振。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)與空氣振動(dòng)耦合程度不高，或者橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較小時(shí)，主要導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)——隨機(jī)抖振;當(dāng)空氣與橋梁結(jié)構(gòu)相互影響巨大，受振動(dòng)結(jié)構(gòu)反饋?zhàn)饔玫目諝饬t主要表現(xiàn)為一種自激作用，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)——顫振或者馳振。

（1）顫振

橋梁顫振是一種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。風(fēng)的動(dòng)力作用激發(fā)了橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)又反過(guò)來(lái)影響空氣的流場(chǎng)、改變空氣力，形成了風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制。當(dāng)結(jié)構(gòu)通過(guò)氣流的反饋?zhàn)饔貌粩鄰臍饬髦蝎@取能量，該能量又大于系統(tǒng)因機(jī)械阻尼所耗散的能量時(shí)，引起結(jié)構(gòu)發(fā)散振動(dòng)，這種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象就是橋梁顫振。

（2）抖振

抖振主要由大氣中的紊流成分（即脈動(dòng)風(fēng)）所激起，是一種隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。雖然是一種限幅振動(dòng)，但由于發(fā)生抖振的風(fēng)速低，頻率大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部疲勞，影響行人和車輛行駛安全。隨著橋梁跨度的增加，結(jié)構(gòu)的柔性增加，抖振也會(huì)相應(yīng)增大;且隨著風(fēng)速的增大，抖振相應(yīng)（振幅及結(jié)構(gòu)內(nèi)力）會(huì)成倍增大。

（3）馳振

馳振是對(duì)于非圓形的邊長(zhǎng)比在一定范圍內(nèi)類似于矩形斷面的鈍體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，由于升力曲線的負(fù)斜率效應(yīng)，微幅振動(dòng)的結(jié)構(gòu)能夠從風(fēng)流中不斷吸收能量，當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速時(shí)，結(jié)構(gòu)吸收的能量將克服結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量，形成一種分散的橫風(fēng)向單自由度彎曲自激振動(dòng)。

（4）渦激振動(dòng)

同抖振一樣，渦激振動(dòng)是橋梁在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生的限幅振動(dòng)。渦激振動(dòng)是由于風(fēng)流經(jīng)各種斷面形狀（圓形、矩形、多邊形等）的鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)有可能發(fā)生漩渦的脫落，出現(xiàn)兩側(cè)交替變化的渦激力。當(dāng)渦激脫落頻率接近或等于結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，由此激發(fā)出結(jié)構(gòu)共振。

上述振動(dòng)現(xiàn)象中，對(duì)大跨度橋梁產(chǎn)生較大危害的是顫振和渦振。

拉索橋或者懸索橋是一種主梁（橋面）、支承塔柱受壓、拉索受拉的結(jié)構(gòu)體系，是一種由索、塔、梁三種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)，都是承重構(gòu)件。斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系決定了橋塔、拉索、主梁（橋面）三者相互影響，塔和梁借橋塔引出的斜拉索聯(lián)結(jié)成整體結(jié)構(gòu)，斜拉索作為加勁梁跨間的彈性中間支承，其風(fēng)致振動(dòng)具有較強(qiáng)的組合效應(yīng)。橋塔結(jié)構(gòu)高聳、構(gòu)形尺寸大、相對(duì)輕柔?，F(xiàn)代斜拉橋多采用密索結(jié)構(gòu)，拉索輕柔超長(zhǎng)，重量輕，而斜拉索長(zhǎng)短不一，降低了梁跨的載向彎矩，其固有頻率的涵蓋范圍較寬泛，風(fēng)致振動(dòng)可能激發(fā)拉索的參數(shù)共振，拉索的風(fēng)荷載與主梁（橋面）風(fēng)荷載是兩種主要風(fēng)致振動(dòng)組件，有時(shí)拉索的風(fēng)荷載更為劇烈。如圖1所示。

2 ?虎門大橋風(fēng)振U-TRIZ功能分析

虎門大橋是當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的公路橋梁，也是中國(guó)首座加勁鋼箱梁懸索結(jié)構(gòu)橋梁，其主跨長(zhǎng)度居當(dāng)時(shí)中國(guó)同類橋梁中的第一位，副跨長(zhǎng)度居當(dāng)時(shí)世界同類橋梁中的第一位?；㈤T大橋橋面凈寬30m，設(shè)計(jì)速度為120km/h，道路規(guī)模為雙向六車道，設(shè)中央分隔帶和緊急停車帶，通行能力為12萬(wàn)輛次（小型客車）/d，防臺(tái)等級(jí)為61m/s?；㈤T大橋在中國(guó)國(guó)內(nèi)首次采用GPS實(shí)時(shí)三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程，橋裝配了多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀況和記錄橋梁在地震時(shí)的反應(yīng)。

2.1 ?虎門大橋技術(shù)系統(tǒng)和超系統(tǒng)

U-TRIZ是由趙敏、張武城等為首的一批中國(guó)TRIZ研究者，在分析、比較了多個(gè)國(guó)際TRIZ流派的理論要點(diǎn)后，以經(jīng)典TRIZ和部分現(xiàn)代TRIZ的精華為基礎(chǔ)，合理取舍重組，結(jié)合客觀世界中的“三元論（物質(zhì)、能量、信息）”，經(jīng)過(guò)理論創(chuàng)新后提出來(lái)的TRIZ理論分支?！耙怨δ転閷?dǎo)向，以屬性為核心”是該理論的精華和與眾不同之處。在分析解決疑難復(fù)雜問(wèn)題上有較大優(yōu)勢(shì)。

功能是把“發(fā)出動(dòng)作的主體”去掉后，僅保留了“動(dòng)作”和“作用對(duì)象”的一個(gè)抽象概念。功能分析是按照功能的基本定義，來(lái)建立所有系統(tǒng)組件模型相互作用的一種分析方式，通常分析的結(jié)果是要畫出“功能分析圖”。為了畫好功能分析圖，通常需要先明確發(fā)生問(wèn)題的具體場(chǎng)景，以圖示的方式清晰表示所分析對(duì)象（技術(shù)系統(tǒng)）的基本組成和與環(huán)境（超系統(tǒng)）之間的關(guān)系。虎門大橋技術(shù)系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件，如圖2所示。

應(yīng)用U-TRIZ的功能分析，建立虎門大橋系統(tǒng)組件模型，即列出組成技術(shù)系統(tǒng)、子系統(tǒng)的各個(gè)組件以及相關(guān)的超系統(tǒng)中所有參與作用的組件，描述出各組件的系統(tǒng)所屬關(guān)系?；谙到y(tǒng)組件的相互關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)應(yīng)該至少由兩個(gè)系統(tǒng)組件（子系統(tǒng)或元件）所構(gòu)成，如圖3所示。

虎門大橋主航道橋?yàn)閱慰珉p鉸簡(jiǎn)支鋼箱梁懸索橋，為連續(xù)剛構(gòu)梁式橋，由東西索塔、東西錨碇、主纜、吊索和加勁梁等五大結(jié)構(gòu)部分組成?；㈤T大橋主纜主跨徑888m，主纜直徑687.2mm（孔隙率20%）;每根主纜由110束索股組成，每束索股含127根直徑5.2mm鋼絲，一般標(biāo)準(zhǔn)索股重34.8t。大橋吊索直徑52mm、間距12m，邊吊索距塔中心18m。大橋加勁梁箱梁寬35.6m，橋軸中心處梁高3.012m，橋面鋪設(shè)6cm厚瀝青混凝土;兩橋塔處伸縮縫最大伸縮量為1.5m。東西索塔的每個(gè)塔樁底分別由16根直徑為2m、12根直徑為2m的鉆孔灌注樁組成;東西索塔從基頂面算起高147.55m、從橋面算起高89.66m;塔柱頂平面為邊長(zhǎng)5.6m正方形、底平面尺寸為5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下系梁為界分別為0.6m、0.75m和0.95m;東西錨碇承受主纜拉力分別為2×172600KN、2×174400KN。

氣流（風(fēng)）、重力、江水和地基（江床）共同構(gòu)成了虎門大橋的超系統(tǒng)環(huán)境。

2.2 ?虎門大橋的系統(tǒng)組件及相互作用分析

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型是在已經(jīng)列出了所有必要的系統(tǒng)組件模型的基礎(chǔ)上，描述各組件之間的相互作用關(guān)系——人字網(wǎng)格交叉線。遍歷每?jī)蓚€(gè)組件之間可能的相互作用關(guān)系，如圖4所示。

2.3 ?虎門大橋的系統(tǒng)功能模型

應(yīng)用U-TRIZ的系統(tǒng)功能模型分析，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識(shí)別其功能類別，并用不同的連線和箭頭來(lái)把所有的系統(tǒng)組件之間所存在的功能，以“SVO/VOP”的標(biāo)準(zhǔn)格式表示出來(lái)，畫出系統(tǒng)功能模型圖。

系統(tǒng)功能模型圖是輔助我們進(jìn)行功能分析、發(fā)現(xiàn)并消除不良功能的圖示化工具。對(duì)從分析過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)中的有害功能必須首先予以消除;對(duì)于充分有用的功能必須予以確保實(shí)現(xiàn)或者予以增強(qiáng)。虎門大橋無(wú)風(fēng)時(shí)的系統(tǒng)功能模型，如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)組件的屬性分析

橋梁是處于大氣邊界層中的結(jié)構(gòu)物，在自然風(fēng)的作用下將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，甚至造成結(jié)構(gòu)毀壞、疲勞或過(guò)大變形及內(nèi)力等問(wèn)題。本文中主要針對(duì)虎門大橋的風(fēng)振問(wèn)題進(jìn)行功能分析，因此，針對(duì)振動(dòng)的肇事者：風(fēng)（功能載體）進(jìn)行屬性分析、風(fēng)與橋梁組件的相互作用以及相互作用中產(chǎn)生的新屬性分析。

（1）風(fēng)的自然屬性

風(fēng)力是空氣通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力現(xiàn)象，風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，風(fēng)的自然屬性包括風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)量、風(fēng)壓以及交變性，風(fēng)致振動(dòng)的成因必須從風(fēng)的屬性入手，反復(fù)的風(fēng)振動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)件的破壞，與結(jié)構(gòu)物的幾何形狀有密切關(guān)系。實(shí)際中常把風(fēng)分為平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)（陣風(fēng)脈動(dòng)）加以分析。平均風(fēng)是風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物作用力的速度、方向均不隨時(shí)間而改變的物理量;脈動(dòng)風(fēng)則是由于風(fēng)的不規(guī)則性引起的，其強(qiáng)度和頻率等屬性參數(shù)是隨時(shí)間按隨機(jī)規(guī)律變化的。如圖6所示。

（2）風(fēng)與橋梁組件相互作用產(chǎn)生的新屬性

在風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的風(fēng)荷載導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓曲變形，這種撓曲實(shí)際上改變了流體流動(dòng)的走向，從而改變了橋面不同截面的壓差，造成橋梁風(fēng)致振動(dòng)，而振動(dòng)起來(lái)的橋梁又可能反過(guò)來(lái)改變周圍空氣和壓力，反過(guò)來(lái)又影響橋梁形變，這樣形成了風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)的耦合相互作用。因此，研究風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用主要就是研究氣動(dòng)力和橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間的相互作用。例如：風(fēng)的交變氣流，對(duì)風(fēng)中的物體，產(chǎn)生多種流體作用力，如卡門渦街效應(yīng)。如圖7所示。

在滿足橋梁承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，出于成本的考慮，相對(duì)于跨度而言，斜拉橋一般都設(shè)計(jì)得輕巧柔細(xì)，因此在力學(xué)本質(zhì)上斜拉橋?qū)儆谝环N高度柔性結(jié)構(gòu)，因此橋梁的大跨度柔性結(jié)構(gòu)必須考慮非線性因素計(jì)算和分析。如圖8所示。

斜拉橋輕柔的主纜、吊索隨風(fēng)擺動(dòng)帶動(dòng)吊索底端上下起伏、風(fēng)致擺動(dòng)起伏都強(qiáng)烈地體現(xiàn)了橋梁柔性結(jié)構(gòu)的非線性。在使用荷載作用下，斜拉橋各構(gòu)件截面應(yīng)力基本上仍處于彈性范圍內(nèi)，但斜拉橋往往已經(jīng)產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)變形，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的大位移小應(yīng)變的幾何非線性效應(yīng)，且隨著跨度不斷增大這種非線性效應(yīng)愈顯著;此外，斜拉橋中大量使用較長(zhǎng)的柔性斜索，無(wú)疑也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)體系的非線性受力特征。如圖9所示。

風(fēng)力分別作用于主纜、吊索和橋面產(chǎn)生的相互作用和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，如表2所示：

表2 ? ?風(fēng)力作用于橋梁各組件的表現(xiàn)

卡門渦街效應(yīng)是橋梁在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生的限幅振動(dòng)，在主纜、吊索和橋面等處都可能會(huì)發(fā)生?？ㄩT渦街效應(yīng)的作用原理是由于風(fēng)流經(jīng)圓形、矩形、多邊形等各種不同形狀的斷面時(shí)，其物體形狀的鈍體結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生風(fēng)導(dǎo)致的漩渦脫落，出現(xiàn)鈍體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載兩側(cè)交替變化的渦激力。當(dāng)渦激脫落頻率接近或等于結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)激發(fā)出風(fēng)荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的共振，導(dǎo)致橋面產(chǎn)生水平橫向振動(dòng)（擺動(dòng)）。如圖10所示。

一旦渦激共振產(chǎn)生，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率對(duì)漩渦的脫落頻率的反饋?zhàn)饔?，使得漩渦脫落的頻率在相當(dāng)長(zhǎng)的風(fēng)速范圍內(nèi)被結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率所“俘獲”，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率被“鎖死”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象進(jìn)一步加劇了渦激共振效應(yīng)，進(jìn)一步拓寬了風(fēng)的頻率范圍，進(jìn)一步導(dǎo)致了橋面的水平豎向振動(dòng)（波浪形振動(dòng)），如圖11所示。

當(dāng)橋面的水平橫向振動(dòng)與水平豎向振動(dòng)疊加后，因?yàn)榍懊婢植拷Y(jié)構(gòu)和阻尼的影響，會(huì)進(jìn)一步形成水平方向的限幅扭轉(zhuǎn)振動(dòng)——扭振（參見下面舊塔科馬大橋案例），對(duì)大橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很強(qiáng)的、具有馬太效應(yīng)的破壞作用，最終導(dǎo)致纜索和橋面斷裂，大橋坍塌。

當(dāng)空氣力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較小時(shí)，空氣力作為一種強(qiáng)迫力，主要導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)——隨機(jī)抖振;當(dāng)空氣力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大時(shí)，受振動(dòng)結(jié)構(gòu)反饋?zhàn)饔玫目諝饬t主要表現(xiàn)為一種自激作用，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)——顫振或者馳振。這兩種振動(dòng)如果長(zhǎng)期存在，將對(duì)某些橋梁結(jié)構(gòu)件造成微觀上的疲勞損壞，最終損壞大橋結(jié)構(gòu)。

3 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)案例解析

3.1 ?舊塔科馬大橋的縱波振動(dòng)與扭振

以著名的舊塔科馬海峽大橋（Old Tacoma Narrows Bridge）為例：舊塔科馬海峽大橋?yàn)榧?xì)長(zhǎng)型橋梁，該橋的寬跨比為1/71.6，高跨比為1/348。該橋的類 H 型板梁的抗扭剛度幾乎等于零，因此，即使增加了中央扣和橋塔處的液壓緩沖器等抑振措施，但是細(xì)柔性橋梁仍然在很低的風(fēng)速下也出現(xiàn)了水平豎向振動(dòng)。

舊塔科馬大橋于低風(fēng)速自然風(fēng)作用下的毀壞，旋渦沿橋面的“飄移”，而使得升力的作用點(diǎn)隨旋渦同時(shí)漂移，進(jìn)而使升力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩作功由負(fù)向正轉(zhuǎn)化，宏觀上造成了主梁（橋面）的顫振扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。先發(fā)生豎向振動(dòng)，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)橄薹まD(zhuǎn)振動(dòng)，并最終發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，豎向振動(dòng)的形式與渦激振動(dòng)特性相符。如圖12所示。

國(guó)內(nèi)研究比較趨向于認(rèn)定自激氣動(dòng)力說(shuō)是橋梁振動(dòng)的直接原因，而根本原因則是置于流場(chǎng)中的斷面周圍形成的復(fù)雜旋渦。就舊塔科馬橋而言，由于中間腹板的存在，而使得氣流在通過(guò)迎風(fēng)側(cè)翼緣和背風(fēng)側(cè)翼緣時(shí)會(huì)形成兩種不同形式的旋渦即單剪切流形成的旋渦和雙剪切流發(fā)生的旋渦是共存。這次教訓(xùn)使科學(xué)家和橋梁工程師們認(rèn)識(shí)到，懸索橋的加勁主梁（橋面）必須具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度和氣動(dòng)性能良好的斷面型式，并一致認(rèn)為板式加勁主梁（橋面）具有氣動(dòng)不穩(wěn)定性。

3.2 ?伏爾加河大橋“波浪形抖動(dòng)”

伏爾加河大橋于2009年10月10日竣工通車，大橋全長(zhǎng)7km。2010年5月19日晚，大橋橋面突然發(fā)生離奇的“蛇形共振”——水平豎向振動(dòng)，大橋晃動(dòng)呈波浪型，上下幅度達(dá)1m，并發(fā)出震耳欲聾的聲音。當(dāng)天伏爾加格勒是多云，強(qiáng)風(fēng)的天氣，大橋共振現(xiàn)象可能因風(fēng)波動(dòng)和負(fù)載所共振而發(fā)生。

4 ?橋梁風(fēng)致振動(dòng)U-TRIZ解決方案

4.1 ?功能的規(guī)范化定義與再抽象——從SVO、VO到VP

應(yīng)用U-TRIZ功能分析，橋梁風(fēng)致振動(dòng)的最終結(jié)果是導(dǎo)致橋面的橫向水平振動(dòng)、豎向水平振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，采取何種措施控制橋面穩(wěn)定性是U-TRIZ的終極目的。按照U-TRIZ的創(chuàng)新思維“歸納-演繹”中的“凝練概念模型”步驟。采用語(yǔ)義表達(dá)

（1）基本語(yǔ)義表達(dá)：首先假定采用阻尼來(lái)控制橋梁的穩(wěn)定性。因此“阻尼控制橋梁”是實(shí)現(xiàn)該功能的完整語(yǔ)句。

但是該語(yǔ)義表達(dá)存在缺陷：一是首先假定了語(yǔ)義表達(dá)的主語(yǔ)“阻尼”，二是沒(méi)有說(shuō)明控制橋梁的何種屬性。討論一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的功能時(shí)，應(yīng)該聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。

（2）將S主語(yǔ)去掉，真正定義功能。

（3）對(duì)動(dòng)詞V和作用對(duì)象的規(guī)范化，即清晰描述控制物質(zhì)的屬性，抽象“橋梁”為一般物質(zhì)。把功能抽象出來(lái)的好處是，可以把具體問(wèn)題一般化處理，形成一般化的問(wèn)題，其引導(dǎo)思考更為廣泛的、多樣化的功能解決方案，去尋找廣義的、更多類型U-TRIZ所定義的功能的實(shí)現(xiàn)。

（4）對(duì)物質(zhì)屬性和參數(shù)的規(guī)范化，即清晰描述操控物質(zhì)的動(dòng)作，“控制”修改為“穩(wěn)定”，控制物質(zhì)的穩(wěn)定性就是要使物質(zhì)保持原有位置的能力，這樣描述更加刻畫了語(yǔ)義表達(dá)的本質(zhì)。

依據(jù)“穩(wěn)定·位置”，檢索“屬性參數(shù)-效應(yīng)-功能”表，得到83個(gè)效應(yīng)，如圖13所示。

從中可以挑選合適的原理解和概念解，進(jìn)而在選定的原理解或者概念解之上尋找更為合適的技術(shù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)既定功能，即尋找技術(shù)體系的真正應(yīng)用場(chǎng)景和主語(yǔ)——S。

4.2 ?討論解決方案1

保持橋梁穩(wěn)定是對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)的終極目的，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)施了很多保持橋梁穩(wěn)定的方法，很多措施的實(shí)施效果也很不錯(cuò)。

（1）改變橋面形狀

橋面扭曲和振動(dòng)是風(fēng)致振動(dòng)的最終體現(xiàn)，而橋面的結(jié)構(gòu)和形狀也是風(fēng)致振動(dòng)的最直接的屬性，因此，改變橋面與風(fēng)之間的相互作用的屬性能產(chǎn)生直接的止振效果。如圖14所示。

（2）增加阻尼

增加阻尼可以提高氣動(dòng)穩(wěn)定性或者降低風(fēng)振響應(yīng)，是消減振動(dòng)的常用方案，如，臺(tái)灣101大樓阻尼器。

阻尼有調(diào)諧式和非調(diào)諧式，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器 （Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱TMD），相當(dāng)于增加結(jié)構(gòu)阻尼。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)速區(qū)間、振幅和攻角是與渦振密切相關(guān)的三個(gè)因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有較大振幅的振動(dòng)。懸索橋固有阻尼很小，容易出現(xiàn)渦振，而且阻尼比隨著模態(tài)頻率升高而降低。阻尼比離散性很大，大型橋梁的阻尼比有待于進(jìn)一步研究。

阻尼器實(shí)體進(jìn)化路徑：固→粉→液→氣→場(chǎng)

目前阻尼發(fā)展出了更多類型：渦流阻尼，擺，質(zhì)量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本東京灣大橋TMD采用液壓粘滯阻尼器抑制渦激振動(dòng)。如圖15所示。

阻尼器場(chǎng)進(jìn)化路徑：機(jī)→聲→熱→化→電→磁→電磁

（3）改變自身固有頻率，消減振動(dòng)

當(dāng)激勵(lì)頻率與固有頻率相等或者接近時(shí)，才會(huì)發(fā)生共振。因此，共振頻率不一定完全與固有頻率相等，共振頻率是以外界的激勵(lì)頻率來(lái)衡量的，而固有頻率是從橋梁結(jié)構(gòu)角度談?wù)摰?。在很多情況下，共振不是發(fā)生在單一頻率（固有頻率）處，而是具有一定寬度的共振帶。也就是存在一個(gè)頻率區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)容易發(fā)生共振。一般認(rèn)為，當(dāng)激勵(lì)頻率大于固有頻率40%以上時(shí)才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。

當(dāng)外界激勵(lì)頻率無(wú)法更改時(shí)，我們可以改變自身固有頻率消減振動(dòng)。增加阻尼會(huì)影響橋梁的阻尼比，但是阻尼對(duì)橋梁的固有頻率影響不大。而要改變橋梁的固有頻率，增加結(jié)構(gòu)措施，需要從結(jié)構(gòu)、大小、形狀等因素考慮，增加結(jié)構(gòu)的總體剛度，如質(zhì)量、中央扣、輔助索等。

例如：輔助索用數(shù)道細(xì)索將部分或者全部主索連接起來(lái)，通過(guò)將原本獨(dú)立的各主索彼此聯(lián)成一個(gè)索網(wǎng)，使原來(lái)主索獨(dú)立的振動(dòng)被約束成索網(wǎng)系統(tǒng)的整體振動(dòng)，從而提高主索的剛度。如圖16所示。

（4）設(shè)法不讓各種組件振動(dòng)的頻率不同，避免共振

4.3 ?討論解決方案2

（1）改變橋面形狀，添加多種機(jī)械裝置，達(dá)到效應(yīng)：平衡，機(jī)械力等等。

（2）既有方案

添加多種形狀的阻風(fēng)板、擾流板。氣動(dòng)措施：改善橋梁結(jié)構(gòu)的繞流特性，從而減小激勵(lì)外力，如開敞式橋面、風(fēng)嘴、中央穩(wěn)定版、導(dǎo)流板、拉索的表面加工。

（3）新方案

添加空氣囊;改變表面形狀（鯊魚皮結(jié)構(gòu)微型裝置）;破除渦流的鋸齒結(jié)構(gòu);中間增加鋼鏈定位裝置等。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面形狀的板、囊、齒等裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強(qiáng)風(fēng)時(shí)有，常態(tài)時(shí)無(wú)。

可充氣異形氣囊;可收縮和擺動(dòng)的阻風(fēng)板;可收縮的破除渦流齒;可旋轉(zhuǎn)收放鋼鏈（下落連接江中的重物，機(jī)械約束振幅最大的中間位置）等。

4.4 ?討論解決方案3

（1）改變自身固有頻率，消減振動(dòng)，增加阻尼是消減振動(dòng)的常用方案

阻尼，渦流阻尼，擺，質(zhì)量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼…

（2）既有方案

擺放水馬，增加機(jī)械阻尼裝置。

（3）新方案

橋面下方加裝空水箱;增加可動(dòng)配重，加裝電磁阻尼器。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面固有頻率的各類阻尼裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強(qiáng)風(fēng)時(shí)有，常態(tài)時(shí)無(wú)。

橋面下方增加多個(gè)空水箱，聯(lián)通水管，強(qiáng)風(fēng)時(shí)抽江水給水箱注水。

增加可動(dòng)配重，無(wú)風(fēng)時(shí)分列橋塔兩側(cè)，有風(fēng)時(shí)牽引至橋面下方中央位置。

電磁阻尼器感知現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)波，實(shí)時(shí)生成并疊加反向振動(dòng)波，抑制振幅。

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[6]虎門大橋最大振幅31厘米 司機(jī)：像坐過(guò)山車讓人想吐.新京報(bào)2020-05-08 08：07：38 [EB/OL].https：//news.163.com/20/0508/08/FC3E467R0001899O.html.

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