大跨度橋梁抗風措施研究

吳志勤，何 超

(1.南京先行交通工程設計有限責任公司，江蘇南京 210016;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

大跨度橋梁抗風措施研究

吳志勤1，何 超2

(1.南京先行交通工程設計有限責任公司，江蘇南京 210016;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

橋梁風害是人們非常關心的問題之一。橋梁應具有抵抗風作用的能力，風對橋梁的作用不單純是平均風的靜力作用，特別是大跨度橋梁，其柔性較大，設計時必須考慮顫振、抖振、弛振等空氣動力問題。分析總結了以往的橋梁風毀事故，研究了風對橋梁結構的作用及其對策，有關經驗可供相關專業人員參考。

大跨度橋梁;顫振;抖振;弛振

0 引言

1879年12月，英國的Tay橋遭受暴風雨襲擊，85跨鑄鐵桁架中的13跨連同正行駛于其上的一列火車一起墜入河中。1940年秋，在19 m/s的8級大風作用下，美國華盛頓建成僅4個月的塔科馬峽谷懸索橋發生強烈的扭轉振動。橋面的扭轉振動不斷增大，發展到±45°的扭角時，吊索被逐根拉斷，橋面折斷墜落入峽谷中。塔科馬大橋的風毀引起了國際橋梁工程界和空氣動力界的極大關切，并開展了大量的理論探索和風洞實驗研究。事故發生后的調查表明，自19世紀初以來已有10座橋梁遭到了風毀，橋梁風害也由此被納入到橋梁設計內容中來。一直到20世紀50年代，通過吸取教訓，改進主梁斷面形狀后，大跨度橋梁又得到蓬勃發展，美國、日本和丹麥等國先后建成了主跨在1 km以上的大跨度懸索橋，其中日本1998年建成的明石海峽橋主跨達1 990.8m。隨著大跨度橋梁建設的日益興起，橋梁抗風方面的研究也逐漸成為大跨度橋梁設計方面所關注的焦點。

1 橋梁風害的回顧

有記錄的橋梁風毀事故發生于1818年，在狂風作用下，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋遭到毀壞。直到1940年，世界范圍內先后有12座橋因風的作用而遭到不同程度的破壞，見表1。其中風害造成嚴重事故是英國蘇格蘭的Tay橋的倒塌，共造成了75人死亡。此外，風震將導致大跨徑橋梁產生明顯的振動。其中在1951年對金門大橋進行實測時，發現該橋在8～9級風力的作用下，主梁1/4處的最大單幅1.7 m[1]。如此強烈的振動，對橋梁結構的疲勞壽命、行車安全等的危害是不言而喻的。

表1 風毀橋梁-覽表

1962年到1963年間，日本的一座架設中的桁架橋和一座簡易人行吊橋相繼遭到風毀。1964年建成的英國福斯橋的獨立橋塔在施工中因風振而產生塔柱接頭部位的損傷。近幾年來，隨著我國大跨度橋梁的建設，橋梁的風害也時有發生。例如廣東南海九江公路斜拉橋施工中吊機被大風吹倒，砸壞主梁;江西九江長江公路鐵路兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振、上海楊浦斜拉橋纜索的渦振和雨振使索套損壞等[1]。這些橋梁風害事故的出現使人們越來越意識到橋梁風害問題的重要性，促使橋梁工作者對風作用進行深入研究分析。

2 風對橋梁結構的作用

根據風荷載的速度變化規律及作用周期長短，通常將其劃分為平均風和脈動風兩種類型。

在給定的時間間隔內，風對橋梁作用的速度大小及方向不隨時間改變，且作用周期遠大于橋梁結構的自振周期[2]，此類風荷載稱為平均風，其對橋梁的作用類似于靜力作用。平均風的靜壓對結構產生阻力、升力和力矩作用，可引起橋梁的強度、變形破壞及靜力失穩。

風速圍繞平均風速隨時間隨機變化，同時作用周期較短[2]，此類風荷載為脈動風，其屬于不規則運動的風，對橋梁結構的作用相當于動力作用。結構的風致振動現象是多樣化的，總體可劃分為兩大類:抖振和自激振動。

風對橋梁結構的作用機理十分復雜，它受到風本身的自然特性(環境、地形、地貌) 和橋梁結構的動力特性(結構固有頻率、振型特性、阻尼特性) 以及風與橋梁結構的相互影響等三方面因素的制約。論文重點研究風對橋梁的動力作用。

3 風對橋梁的動力作用—橋梁風致振動形式及對策

大跨度橋梁結構的設計必須充分考慮風荷載，橋梁結構因風荷載引起的振動形式是多樣性的，根據其發生機理和作用部位可大致劃分為以下幾種。主梁的風振形式有:顫振、馳振、抖振、渦激共振;橋塔的風振形式有:渦激共振、馳振;拉索的風振形式有:渦激共振、馳振、尾流弛振等[2]。

主梁的顫振和馳振是橋梁設計人員必須首先考慮的，因為橋梁結構可能因這兩種振動而受到致命的打擊，這兩種振動是橋梁結構致命的“急性病”。渦激共振是一種“限幅振動”，它將導致橋梁的“疲勞”問題，但不會馬上引起橋梁的破壞，設計者對此“慢性病”也應給予足夠重視。設計者可通過風洞試驗選擇對主梁有利的抗風減振措施，從而避免或減輕橋梁的“急、慢性病”的危害。抗風措施通常可分為改善結構總體動力特性和改善結構斷面的氣動性能兩大類，前者主要是從結構的布置、材料等方面考慮，后者主要是從橋梁截面的氣動外形上考慮。

3.1 顫振

從20世紀40年代后期開始圍繞塔科馬懸索橋風毀事故原因的分析進行的試驗研究。當時有兩種觀點:一種觀點認為塔科馬橋的振動與機翼的顫振類同，是一種風致扭轉發散振動;另一種觀點認為塔科馬橋的主梁是H型斷面，存在明顯的渦流脫落，因此是一種渦激共振。兩種觀點互相爭論，直到1969年，斯坎倫(R. Scanlan)提出了鈍體斷面的分離流顫振理論，成功地解釋了塔科馬橋的風毀機理，并由此奠定了橋梁顫振的理論基礎。在這以后，又發展了多種橋梁顫振分析方法。使大跨度橋梁的顫振問題在工程上得到了較好的解釋。

顫振是一種危險的自激發散振動，當風速達到臨界風速時，振動的橋梁通過氣流的反饋作用不斷吸取能量從而使振幅逐步增大直至最后結構破壞[5]。它是指橋梁以扭轉振動形式或扭轉與豎向彎曲振動相耦合形式的破壞性發散振動，顫振分扭轉顫振和彎扭顫振兩種。目前已有學者對橋梁多模態耦合顫振的自動分析進行了相關研究[3]。

3.2 馳振

對于非圓形截面的邊長比在一定范圍內的類似矩形截面的鈍體結構及構件，升力曲線的負斜率效應將導致微幅振動的結構能夠從風流中源源不斷地吸取能量。當風速增大到臨界風速時，結構吸取的能量能夠克服結構阻尼所消耗的能量，形成一種發散的橫風向單自由度彎曲自激振動。根據來流的不同， 馳振一般可分為橫流馳振和尾流馳振。

結構是否發生馳振，主要取決于結構橫截面的外形，橋梁結構的塔柱，特別是施工階段獨塔狀態應該考慮馳振現象，另外結冰的拉索也有可能發生馳振現象。

馳振臨界風速與結構阻尼比、密度比成正比，與升力曲線的斜率成反比。

抵抗馳振的方法有以下幾種:

(1)塔頂安裝調制阻尼器(TMD)，提高結構阻尼比。

(2)對矩形截面采用倒角的方法，降低升力曲線的斜率。

(3)加大結構的剛度，提高彎曲斜率。

(4)加大結構的密度和阻尼，如混凝土塔較鋼塔阻尼比大。

3.3 渦激振

風流經過各種斷面形狀的鈍體結構時都有可能發生漩渦的脫落，出現兩側交替變化的渦激力，當漩渦脫落頻率接近或等于結構的自振頻率時，將由此發生結構共振。

試驗表明，對于已確定形狀的和大小的截面，漩渦的脫落頻率與風速成正比。渦激振動的最大振幅的大小隨結構阻尼的增大而減小，而發生渦振的風速與頻率則幾乎不受阻尼的影響。

一般來說，透風率低的扶手欄桿、防撞墻、防眩面板等對渦激振動有不利的影響，而趨于防止或延遲風流從結構表面脫落的裝置、促使分離流對結構黏著的裝置等均對防止或減少渦振有有利的影響。另外來流的紊流度對渦激共振也有一定的影響。

渦激振動作為一種帶有某些自激性質的強迫振動現象，有以下特征:

(1)是一種發生于較低風速區的有限振幅振動;

(2)只發生于某一風速區域內;

(3)阻尼比對最大振幅有很大的影響;

(4)渦激振動或是彎曲振動，或是扭轉振動;

(5)斷面形狀的微小變化對振動的影響很敏感。

為此，國際社會應當在網絡反恐的國際立法上加強溝通和交流，積極推動聯合國層面出臺網絡反恐國際合作的決議或宣言，為其他組織和區域性網絡反恐合作提供指導。區域性組織的國家之間因為地緣、利益等相近因素，可以最大限度的在反恐問題上達成共識，也可以考慮先行在其框架內建立網絡反恐合作的法律機制。如，可以將上合組織網絡反恐合作演習的實踐以法律形式固定下來，形成成員國之間開展網絡反恐合作的固有機制，切實增強網絡反恐合作的實效。

因此，渦激振動不是一種危險性的發散振動，通過增加阻尼，或者適當的整流裝置可以將其振幅限制在可以接受的范圍內。

降低渦激共振振幅的辦法如下:

(1)增加阻尼或者安裝TMD;

(2)適當增加整流裝置來限制渦激振動響應。減振整流裝置的辦法有很多種，如:折翼板、擾流板、分流板等，具體采用何種裝置，可通過風洞試驗來確定。

3.4 抖振

20世紀70年代開始，橋梁風致振動問題的研究重點開始轉向到橋梁抖振上，在Davenport抖振分析理論的基礎上發展了多種抖振分析方法。大氣中的紊流成分所激起的強迫振動，也稱紊流風響應。抖振是一種限幅振動，由于它發生頻率高，可能引起結構的疲勞。過大的抖振振幅會讓人感到不適，甚至危及橋上高速行車安全[4]。目前關于這方面的研究尚不成熟。各振動形式的比較見表2。

表2 橋梁振動形式比較

4 斜拉索的風致振動

斜拉橋的風致振動大致可以分為渦激振、尾流振動、雨振、參數共振以及結冰索的馳振等。

(1)渦激振:一般拉索的小振幅風致振動大多是由于渦激共振所產生的，圓形截面的斯特羅哈數等于0.2，其漩渦脫落頻率隨風速線性變化，當漩渦脫落頻率與拉索某階橫向振動頻率相一致時會發生渦激共振，此時的風速即為臨界風速。由于拉索對漩渦脫落的反饋作用，渦脫頻率在接近臨界風速的一定范圍內被拉索頻率鎖定，使發生渦激共振的風速范圍擴大。一般觀察到的渦激共振大都是四階或五階的振型。

由于斜拉橋各根拉索的索力、直徑、長度不同，其振動頻率也是各不相同的，因此，在不同風速條件下會激起不同部位的拉索振動。

(3)雨振:下雨時當風的作用方向與斜拉索的下坡一致時，在斜拉索的表面會形成上下兩條通道，雨振即為由于這些通道的形成，使斜拉索的截面變為對空氣動力部穩定時所發生的振動，見圖1。

圖1 雨振形式

雨振特點:

a. 雨振常發生在斜拉索表面為光滑時;

b. 雨振是風速為6～18 m/s的范圍內所發生的一種有限振動;

c. 發生的頻率處于3 Hz以下的范圍內;

d. 易受紊流的影響，紊流強度達15%時有可能不發生雨振;

e. 結構阻尼增加后振幅減少，如附加對數衰減到0.02～0.03的結構阻尼后即可制振。

(4)參數共振:當斜拉橋主梁受到各種外界的激勵，橋面以總體的彎曲頻率發生共振時，將使下端與橋面相連接的拉索以同樣頻率隨之振動，當橋面的振動頻率與拉索的橫向振動頻率滿足倍數關系條件時會發生拉索的參數共振。對較長的拉索，微小的橋面振動會激起大振幅的拉索橫向振動。

(5)結冰索的馳振。索表面結冰而形成馳振不穩定氣動外形， 引發拉索馳振， 它與結冰電纜的馳振機理相同。

減小斜拉橋拉索的振動的方法有:

a. 在拉索兩端安裝阻尼器，常用在拉索與橋面的連接端安裝阻尼器，但阻尼器的位置越接近端部，阻尼比越小，減振效果越差;目前已經應用于實踐如岳陽洞庭湖大橋(見圖2)、長沙洪山大橋。

圖2 岳陽洞庭湖大橋拉索減振系統

b. 把拉索從外索至內索相互連接起來，通過連接件的伸縮來耗能，同時利用幾根拉索固有頻率的不同所產生的干擾效應來傳遞能量以達到抑制振動的目的。

c. 在拉索表面加縱向突出條、螺旋條、分布缺陷、分別凸點等等方法，將水道隱蔽起來或改變水路或防止水路形成等，從而使振動得到抑制，見圖3。

圖3 拉索表面處治減振措施

5 -般大跨度橋梁的抗風減振措施

橋梁的抗風設計包括靜力抗風設計和動力抗風設計兩部分內容，對于大跨度柔性橋梁，如懸索橋和斜拉橋等的抗風設計應特別重視動力抗風設計，即各種風致振動的分析。

動力抗風設計的目的在于:

(1)提高結構的臨界風速，使之大于一定的安全系數乘以設計風速，即不會發生危險性的發散風致振動(顫振和馳振);或要求發生這種危險性風振的概率在可靠性允許范圍內。

(2)減少各種限幅振動(渦振和抖振及派生的拉索參數共振等)的振幅使之小于可接受值。

橋梁的抗風減振措施大致可分為改善結構總體動力特性和改善結構斷面的氣動性能兩方面。按橋梁結構的風振控制方式可分為被動控制，主動控制，半主動控制和混合控制[5]。

5.1 改善橋梁的動力特性

(1)提高結構的剛度以加大固有頻率，從而提高臨界風速和減少振幅。然而對于柔性大跨度橋梁結構，增加主梁剛度來滿足抗風要求是不經濟的，有時也會帶來惡化氣動外形的結果

(2)增加結構質量，可以減少一些風致振動的振幅，但是也應注意該法同時也降低了頻率，帶來不利的影響。

(3)對于多數帶流線型截面的大跨度橋梁，其顫振形態是以扭轉為主的，提高主梁扭轉剛度可采用抗扭剛度大的結構有利于提高顫振臨界風速，如斜拉橋采用布置成斜索面的A型橋塔，在懸索橋中采用中央扣掛斜吊索，將塔梁固結以約束扭轉變形等等。

(4)除了古典顫振以外，其他各種風致振動都可以通過提高結構的阻尼來提高抗風穩定性或減少振幅，然而結構本身的阻尼是有限的，因而可采用安裝阻尼器的方法來見解提高結構的阻尼，如TMD，TLD等。另外混凝土橋較鋼橋阻尼高。

(5)斜拉橋斜拉索的減振制措施也很多，如采用阻尼器，將斜拉索相互連接等，見圖4。

圖4 阻尼器

5.2 改善截面氣動性能

造成結構風致振動的空氣作用力(自激力、渦激力和抖振力)都是空氣(平均風和脈動風)繞過橋梁斷面時發生相互作用而產生的。改變截面的氣動外形必將引起空氣力的增大或者減小。然而由于鈍體結構空氣動力學在理論上的不成熟，目前只能通過風洞模型實驗的手段來識別各種空氣作用力，并在大量的實驗中總結出一些有效的措施。

(1)提高斷面的流線化程度，使其具有良好的氣動性能。

(2)帶懸臂的截面較鈍頭截面有較好的氣動性能，且懸臂愈長，氣動穩定性愈好.在截面頭增設風嘴、裙板將改善氣流的流臺，減少渦脫，使截面趨于流線型。相反，橋面的防撞欄、透風率較低的欄桿、路緣石等對氣動性能是不利的

(3)采用橋面局部開槽的透風措施，增加氣動穩定性，對于超大跨度橋梁，這種措施是必須的。

(4)增加一些抑流板，導流板和擾流板等減少抖振反應，但應注意到，由于各種風振的極力不同，一種措施并不能兼顧各個方面，有時，某種措施能抑制一種風致振動，而對另一種風致振動的效果不大，甚至會引起相反的效果。因而必須經過風洞實驗驗證其效果。

(5)斜拉索可采用表面刻槽、表面加螺旋條、表面加凹凸斑點等方式進行改善抗雨振的性能。

6 超大跨度跨海大橋抗風對策

懸索橋的扭轉剛度隨著跨徑的增加而驟減，導致其扭轉振動頻率及其顫振臨界風速的大幅度下降。為了提高超大跨徑懸索橋的扭轉剛度，國內外學者從結構措施、空氣氣動措施、機械措施進行了大量研究和探索，扼要的講，有如下三個方面:

結構措施方面，提出了若干結構體系調整方案，特別是主纜系統的調整方案，如采用交叉吊索，采用豎向傾斜的空間纜索體系等形式。結構措施的目的主要是為了提高結構的扭轉剛度，增大結構的扭轉振動頻率，以此提高結構的抗風穩定性[3]。

空氣氣動措施方面，主要有在加勁梁兩側設風嘴，在加勁梁中央采用開槽的措施形成分體橋面等措施。但過寬的中央槽將使橫梁跨度增大，使橋梁造價增大，過寬的橋面，有時也會造成橋塔寬高比的失調，影響橋梁的美觀。

機械措施方面，主要是在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結構的阻尼，并減小作用在結構上的氣動力，從而達到提高懸索橋氣動穩定性的目的。這種裝置主要有兩類，一類是阻尼器，另一類是在加勁梁斷面的迎風、背風邊緣安裝的控制面。當加勁梁在氣流作用下發生振動時，用作用在控制面上的氣動力來增大結構振動的阻尼，從而提高顫振臨界風速[6]。

7 需要繼續研究的問題

7.1 橋梁風振理論準確化

回顧橋梁風振理論研究發展的整個過程，直至目前，通用的包含氣動導數的自激力和準定常形式的抖振力仍為線性表達式，其忽略了非線性項。但隨著橋梁跨度的增加，結構的變形和振幅都達到了米的量級，非線性因素的影響增大，應該考慮是否需要建立更加精確的氣動力表達式，特別是用現有理論分析抖振響應和實測結果有較大的誤差，而且跨度愈大誤差也愈大。因此需要提出新的研究理論，以便得到更加準確的橋梁風振分析結果[3]。

7.2 設計風速的確定

設計風速一般是通過基本風速的修正來確定的，它一般是相對于某一標準高度(10 m高度);標準時距(10 min時距);標準地表地貌(一般空曠平坦地表Ⅱ類地表);100 a重現期的年最大平均風速。而設計風速的修正是根據實際的重現期修正、橋梁所處的地表特征修正以及高度修正來得到的。設計風速是否可以通過其他方式來得到更為準確的結果，是一個值得研究的問題。

7.3 橋梁抗風設計規范的編寫

目前橋梁抗風的主要標準主要是2004年出版的《公路橋梁抗風設計指南》等一些設計標準，在橋梁抗風的設計細節上在規范中加以明確是一個急需解決的問題，對我國大跨度橋梁在抗風方面取得更大成就也有重大的意義。

8 結語

我國的橋梁風工程研究經過多年的努力已經取得了一定的成果，并且隨著各高校風洞試驗室的不斷增建，關于橋梁風工程研究的硬件設施不斷完善，各種抗風計算分析軟件也不斷被推出，所有這一切都為新的研究成果的出現打下了基礎，也為我國的橋梁風工程研究繼續取得長足進步創造了條件。

[1] 程進，江見鯨，肖汝誠，等.風對橋梁結構穩定性的影響及對策[J].自然災害學報，2002，11(1):81-84.

[2] 李龍安.風吹橋動的秘密[J].湖北氣象，2001(3):21.

[3] 項海帆，陳艾榮.進入21世紀的橋梁風工程研究[J].同濟大學學報，2002，30(5):529-532.

[4] 李永樂，廖海黎，強士中.考慮橋塔風效應的斜拉橋時域抖振分析[J].空氣動力學學報，2005，23(2):228-233.

[5] 孫國明，張彬，周濤.橋梁結構風致振動的探討[J].工程建設與設計，2001(3):29-30.

[6] 張新軍.橋梁風工程研究的現狀及展望[J].公路，2005(9):27-32.

U448.14

A

1009-7716(2015)11-0065-05

2015-07-13

吳志勤(1981-)，男，江蘇南京人，工程師，從事混凝土橋梁結構設計工作。