橋梁抗風控制及設計探討

孫 娜

（河北省衡水市公路勘測設計所，河北 衡水 053000）

0 引言

我國是受臺風襲擊比較嚴重的國家，改革開放以來，隨著大跨度橋梁建設的突飛猛進，盡管取得了一些令世人矚目的成就，但是橋梁的風害仍時有出現。因此，橋梁的風害問題必須引起橋梁工程師的足夠重視。

1 橋梁抗風設計

1.1 橋梁抗風設計原則

在橋梁使用期限內，對于可能出現的最大風荷載橋梁不會發生強度變形破壞和靜力失穩。橋梁發生顫振或馳振的臨界風速必須大于橋位處橋梁所處高度上可能出現的最大風速（自激發散振動的臨界風速大于設計風速的1.2倍），以確保不會發生動力失穩破壞。由于抖振、雨振和禍激共振不會立刻引起橋梁的破壞，因而抗風設計中應盡量不使其發生或使其振幅限制在允許范圍內，并應使振動盡快停止，以防止結構的疲勞損傷、避免人感不適、確保行車安全。

1.2 橋梁抗風設計流程

1.2.1 結構設計階段

風荷載的內容包括橋址風速資料的收集、風觀測、確定設計風速、設計風荷載、橋位處風的紊流強度、強風的豎向傾斜角等特性參數。我國橋梁規范規定，以橋梁所在地區的平坦開闊地面以上10m高度處、10min平均、100年重現期的年最大風速作為橋梁抗風設計的參考風速，稱作基本風速，并據此繪成全國基本風壓公布圖。在此基礎上考慮橋位處的地形地貌特征、橋梁的高度、橋跨長度和自然風的特征（風玫瑰團）等因素，確定橋梁的設計風荷載和自激振動檢驗風速。有關結構設計的內容包括提出抗風設計對結構設計的各項要求，作為確定橋梁結構體系、各構件的材料、形狀和尺寸等的參考。其中，最重要的是結構體系的抗風性能考慮和結構斷面形狀的氣動選型。對于一般的大橋，初步設計階段的抗風分析可采用近似的公式對方案的靜風載內力和氣動穩定性進行估算，待方案確定后并通過節段模型的風洞試驗測定各種參數、進行抗風驗算和各類風振分析。

1.2.2 結構抗風性能檢驗階段

結構抗風性能檢驗包括靜力抗風性能和動力抗風性能檢驗兩部分。靜力抗風檢驗包括根據規范或通過風洞試驗確定結構斷而的靜力氣動力系數，算出作用在橋梁各個部分的靜力風荷載，從而計算出靜力風荷載作用下的結構內力、變形，檢驗結構的靜力穩定性（扭轉發散和橫向屈曲）。動力抗風檢驗包括橋梁建成后運營狀態和施工架設過程的顫振特性、渦激共振特性、抖振特性檢驗。采用風洞試驗或半試驗半理論的方法給出橋梁的顫振臨界風速、額振形態，渦激共振的發振風速和振幅估計，抖振振幅及其產生的慣性力附加內力。其中最重要的是要求橋梁的顫振臨界風速必須高于橋位處橋梁設計使用期限內可能出現的最大風速，并具有一定的安全度。當檢驗結果表明橋梁設計方案不能滿足抗風要求時，則需要修改設計成采取其它振動控制及減振措施。對于重要橋梁，宜在初步設計階段通過風洞試驗進行氣動選型，為確定主梁斷面提供依據。在技術沒計階段并對選定的斷面方案進行詳細的抗風驗算和風振分析，還應通過全橋模型的風洞試驗對分析結果子以確認。

2 橋梁風致振動控制

2.1 振動控制的目的及意義

隨著近代橋梁區向著大跨度和高強輕質的方向發展，結構的剛度和阻尼正在不斷下降。因此在風、地震和行車荷載作用下的擺動也在加大。作為這種總趨勢的必然結果，直接影響到橋梁結構的正常使用，使得結構剛度、舒適度和行車安全的要求越來越難以滿足，甚至會威脅到結構的安全或者無法進行設計。作為橋梁抗風研究的一個新興分支，就是針對經過風洞試驗或者抗風驗算不能滿足抗風要求的設計方案，提出有效的抗風措施或修改設計，使其滿足抗風要求。由于風致振動現象有多種型式，因此在振動控制上也應該采取不同的對象。通過對橋梁采取振動控制的目的包括以下三個方面：

a）對于顫振或馳振等自激型發散振動、應該絕對避免其發生，或者使其臨界風速提高到高于橋梁在設計使用期內橋位處可能出現的最大風速；

b）對于渦激共振，有時是很難避免的，就應該設法提高禍根發振風速，并使其量減小；

c）對于抖振（陣風響應），則應該盡可能地減小其振幅。

顯然對于橋梁振動控制是對橋梁的動力響應和動力不穩定性（自激振動）等振動現象加以控制，使其在規定的范圍內工作，其規定范圍即控制條件（控制目標值），可以是結構關鍵部位的位移、速度、加速度，也可以是關鍵部位的內力、裂縫寬度等，從而能夠保證橋梁結構的正常使用功能（結構不破壞、行車安全和人感舒適）。

2.2 控制振動的措施

通過結合工程實踐，筆者總結出對控制橋梁風教振動的措施可分為兩大類：改善結構的空氣動力學特性的氣動力學措施；改善結構的振動特性的結構力學措施。氣動力學措施就是改善結構受風力作用的狀態，選擇氣動力穩定性良好的橋梁斷面形狀，提高顫振臨界風速。由于斷面形狀對風的作用的變化非常敏感，采用這種方法常可收到事半功倍的效果。但是有時雖然使顫振臨界風速提高了，卻可能在低風速下發生較大振幅的渦激共振。因此在選擇氣動力性能良好的斷面形狀時，有時往往還要附加某種氣動阻尼，達到抑制或減弱渦激共振的目的。由于采取這種措施的成本低、施工方便，又不影響原有的結構設計，故常受到橋梁設計師們的歡迎。還有一種改善氣動力性能的方法，就是在橋面上下開孔（格柵）、使其上下“透風”，減小橋面上下的壓力差。加勁梁為衍架的懸索橋和斜拉橋的公路橋面上往往開格柵。為了改善橋梁結構的振動特性，可采用增加質量、提高剛度和增加阻尼三種途徑。重量太輕的橋梁容易產生大振幅的風致振動（渦振和抖振），如1966年建成的塞文橋和1973年建成的博斯普魯斯一橋，經常發生低風速下的“咯吱咯吱”的振動，而1988年建成的博斯普魯斯二橋（與一橋跨度接近的孿生姐妹橋）由于考慮了這種限定性振動引起的疲勞而將箱梁的單位用鋼量增加了33%。當時增加質量會使恒載增大，使結構的自扳頻率降低而容易引起振動，所以這種措施需綜合考慮慎重采用。提高剛度的方法很多，如采用箱形主梁斜拉橋用A型和倒Y型塔的斜索面等，均可提高結構的整體抗扭剛度。增加陽尼一般都采取機械裝置來增加氣動阻尼和結構阻尼。

從振動控制方法上可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制（又稱“雜交控制”）。半主動控制、混合控制和主動控制均需要外部能源，構造和工作原理比較復雜，而且維護管理費用較高。氣動力的主動控制型，如可動風嘴、射流邊分層控制、導流板輔助翼和折翼控制等必須與氣象觀測預報相配合，目前尚處在室內研究階段。結構力學的主動控制型也很少采用，應用于工程實際僅為日本明石海峽大橋主塔獨立狀態的施工階段的主動控制和日本一座斜技橋在雙伸臂施工階段抑制抖振的AMD兩個例子。被動型附加阻尼的機械裝置因其構造簡單、維修容易而被廣泛應用。這類裝置基本由彈性元件、質量元件、阻尼元件三部分組成。常用的阻尼器有沖擊阻尼器（ID）、鏈式阻尼器（CID）、擺式沖擊阻尼器（PID）、油阻尼器（OD）、粘性剪切阻尼器（VSD）、質量調諧阻尼器（TMD）、液體調諧阻尼器（TLD），液住調諧阻尼器（TLCD）和多重調諧型阻尼器（MTMD、MTLD）等。應用時都要針對具體的結構和振動控制的目標值進行專門設計。

3 結語

隨著我國經濟的迅速發展，橋梁已經成為我國重要的交通樞紐和經濟大動脈。在不斷擴建和新開發的橋梁項目中，應充分考慮風與橋梁結構之間的關系，從而不斷完善和提高橋梁的質量。

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