淺談大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究的發(fā)展現(xiàn)狀

文/郎曉明 舟山市大橋建設(shè)管理局 浙江舟山 316043

我國交通工程建設(shè)在過去的幾十年里取得了舉世矚目的輝煌成就，黨的十九大報(bào)告中更是對我國交通工程的總體建設(shè)目標(biāo)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，要在新時(shí)代開啟建設(shè)交通強(qiáng)國的新征程。縱觀我國交通工程建設(shè)發(fā)展的這幾十年，橋梁工程作為交通工程的重要組成部分，其迅猛的發(fā)展速度令人驚嘆。從1991年我國建成了第一座完全由我國自行設(shè)計(jì)、自行建造的主跨達(dá)423m的現(xiàn)代化橋梁——上海南浦大橋；2008年正式建成通車的主跨1088m的世界第二大跨徑的斜拉橋——蘇通大橋；2009年建成通車的采用分體式鋼箱梁主跨1650m目前位居世界懸索橋第二的西堠門大橋；2014年正式開工，建成后其懸索橋跨度在國內(nèi)排名第一、世界排名第二，跨度長達(dá)1700m的楊泗港長江大橋。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)也加入了新的科學(xué)理論、正在探索新的研究方法、開發(fā)創(chuàng)新新的高性能材料、施工工藝不斷推陳出新，在科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)有力推動下，全世界必將有更多大跨度的橋梁在今后涌現(xiàn)。

1、抗風(fēng)設(shè)計(jì)的必要性

現(xiàn)代橋梁的跨徑隨著時(shí)代發(fā)展需要正在逐步增大，其整體結(jié)構(gòu)也趨向于質(zhì)輕柔和，這使得橋梁對風(fēng)荷載的作用就變得更加敏感。橋梁在設(shè)計(jì)風(fēng)速下的抗風(fēng)穩(wěn)定性已經(jīng)成為控制橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工的至關(guān)重要的因素之一。從1818年至今，全球有記錄的因風(fēng)致振動被強(qiáng)風(fēng)摧毀的大跨度橋梁就有近20座。這其中就包括1940年主跨853m風(fēng)振致毀的美國塔科馬大橋，也就是從那時(shí)開始，橋梁設(shè)計(jì)者們才真正重視對大跨度橋梁進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究。而我國在努力建成交通強(qiáng)國的道路上，對于如今交通工程的質(zhì)量、舒適性、耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等都提出了更高的要求。正因?yàn)槿绱舜罂缍葮蛄簩癸L(fēng)性能的研究就顯得更為重要。

2、風(fēng)致振動的類型

我們在研究橋梁風(fēng)致振動的形態(tài)時(shí)，主要將其按照振動機(jī)理分為顫振、馳振、抖振與渦激振動四種主要形態(tài)。其中橋梁斷面的顫振和橋塔斷面的馳振同屬于氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，它是一種可能發(fā)散的自激振動，將會對橋梁自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性的影響；渦激振動也可簡稱為渦振，它則屬于自限幅振動，通常渦振是在風(fēng)速較低時(shí)產(chǎn)生，但它對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害卻不容忽視，其可能產(chǎn)生的大幅振動將會嚴(yán)重影響橋上行車的舒適感，并且會加重橋梁自身構(gòu)件的疲勞問題；抖振是一種強(qiáng)迫振動，抖振振幅隨風(fēng)速的增大而增大，并且存在偏大的可能，特別對于處在海上的橋梁結(jié)構(gòu)，常年平均風(fēng)速較高外還伴隨臺風(fēng)等極端天氣氣候，這會加重橋梁構(gòu)件的疲勞問題。

3、抗風(fēng)性能研究的方法

目前我們所采用的橋梁抗風(fēng)研究方法主要是通過理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)與實(shí)橋測試三種。顫振、馳振和抖振都可通過采用建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行研究分析。而渦振因其復(fù)雜性，至今尚未有能完全準(zhǔn)確反映其參數(shù)特征的數(shù)學(xué)分析方法。在理論分析后將通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)對橋梁的抗風(fēng)性能進(jìn)行更為直觀細(xì)致的研究。如渦振目前主要就是依賴于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行判定分析。在大跨度橋梁初步設(shè)計(jì)階段，多采用造價(jià)低廉、方法簡單、結(jié)果相對準(zhǔn)確的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。全橋氣彈模型成本較高，結(jié)果較節(jié)段模型更為準(zhǔn)確，多用于大跨度或抗風(fēng)問題特別突出的橋梁抗風(fēng)研究中。另外，實(shí)橋測試作為在橋梁發(fā)生風(fēng)致災(zāi)害時(shí)對實(shí)橋進(jìn)行觀測和測量橋梁風(fēng)致振動的主要參數(shù)和特征的研究方法，其對于橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有很大研究價(jià)值。

而客觀地講，現(xiàn)行的理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)與實(shí)橋測試這三者之間也還存在著誤差，甚至相應(yīng)試驗(yàn)分析結(jié)論與實(shí)橋測試情況相悖。這說明在橋梁抗風(fēng)研究領(lǐng)域我們?nèi)匀恍枰粩嗟厝ヌ剿鳌⑺伎己头磸?fù)求解驗(yàn)證，以更科學(xué)的方式建立起更為準(zhǔn)確的橋梁風(fēng)振理論、更為精確的研究計(jì)算模型和更為簡便易行的試驗(yàn)方法。

4、抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案

想要提高大跨度橋梁的抗風(fēng)性能主要可以從結(jié)構(gòu)措施（提高結(jié)構(gòu)的整體剛度）、氣動措施（改善斷面的氣動性）和機(jī)械措施（增大結(jié)構(gòu)阻尼）三個(gè)方面進(jìn)行考慮。而根據(jù)不同的橋型所采用的提高其抗風(fēng)性能的設(shè)計(jì)方案也不盡相同，由于各種風(fēng)致振動的振動機(jī)理不同，僅采用一種措施往往只能抑制一種風(fēng)致振動，對其它的風(fēng)致振動的效果不佳，并不能達(dá)到提高橋梁整體抗風(fēng)性能的效果。有時(shí)，采用某種措施在抑制某一種風(fēng)致振動時(shí)甚至?xí)?dǎo)致其它類型的風(fēng)致振動情況加劇。因此，采用何種橋梁抗風(fēng)措施在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合橋梁周圍的自然風(fēng)環(huán)境，自身結(jié)構(gòu)截面的基本形狀，以及經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的要求進(jìn)行整體綜合考慮，并最終通過風(fēng)洞試驗(yàn)的驗(yàn)證來科學(xué)選擇的。在已建成的大跨度斜拉橋中都存在拉索風(fēng)雨振動的問題，例如蘇通大橋、諾曼底大橋、上海長江大橋、仁川大橋等它們有采用拉索表面刻制凹坑、在拉索表面纏繞螺旋線或在拉索下端部安裝機(jī)械式阻尼器來減小拉索風(fēng)雨振動的振幅。各懸索橋?yàn)樘岣咦陨砜癸L(fēng)性能也采取了不同的措施，如香港青馬大橋采用了開槽以減少構(gòu)件表面的壓力差，潤揚(yáng)長江大橋采用的中央穩(wěn)定板、大海帶橋采用的導(dǎo)流板、西堠門大橋采用的分體式鋼箱梁都是通過改善結(jié)構(gòu)斷面的氣動外形來改善氣流繞流的流態(tài)，明石海峽大橋采用了開槽加穩(wěn)定板形式的桁梁等抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案。上海盧浦大橋拱橋則采用全封閉隔流板的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案。

結(jié)語：

如今，大跨度橋梁因其跨越能力強(qiáng)，在我國現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。但其結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，而抗風(fēng)設(shè)計(jì)又作為大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，今后，針對風(fēng)振理論和大跨度橋梁的風(fēng)振機(jī)理應(yīng)該進(jìn)行更加深入更加科學(xué)全面的研究分析，并積極推進(jìn)如CFD等新技術(shù)的創(chuàng)新性研究工作，為大跨度橋梁的抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)提供有力支撐，助力我國早日建成交通強(qiáng)國。