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

【摘要】隨著我國提出建設(shè)交通強國，我國交通工程建設(shè)迎來新時代踏上新征程，其中橋梁工程作為我國交通工程的重要組成部分，特別是大跨度橋梁在過去幾十年快速發(fā)展，已然使中國橋梁技術(shù)成為令全世界同行矚目的中心。該文對大跨度橋梁為何要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計的必要性進(jìn)行闡述分析，介紹風(fēng)致振動的類型，并就目前大跨度橋梁如何提高其抗風(fēng)性能的方法進(jìn)行了介紹，還簡介了目前部分斜拉橋、懸索橋、拱橋三大類橋型所采用的抗風(fēng)設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】大跨度；橋梁；抗風(fēng)；風(fēng)致振動

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，要在新時代開啟建設(shè)交通強國的新征程。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、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)計的必要性

現(xiàn)代橋梁的跨徑隨著時代發(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，也就是從那時開始，橋梁設(shè)計者們才真正重視對大跨度橋梁進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計的研究。而我國在努力建成交通強國的道路上，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。正因為如此大跨度橋梁對抗風(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，主要將其按照振動機理分為顫振、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)洞試驗技術(shù)與實橋測試三種。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)洞試驗結(jié)果來進(jìn)行判定分析。在大跨度橋梁初步設(shè)計階段，多采用造價低廉、方法簡單、結(jié)果相對準(zhǔn)確的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗。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，實橋測試作為在橋梁發(fā)生風(fēng)致災(zāi)害時對實橋進(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)計具有很大研究價值。

而客觀地講，現(xiàn)行的理論分析、風(fēng)洞試驗技術(shù)與實橋測試這三者之間也還存在著誤差，甚至相應(yīng)試驗分析結(jié)論與實橋測試情況相悖。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、更為精確的研究計算模型和更為簡便易行的試驗方法。

4、抗風(fēng)設(shè)計方案

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）和機械措施（增大結(jié)構(gòu)阻尼）三個方面進(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)計方案也不盡相同，由于各種風(fēng)致振動的振動機理不同，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，采用某種措施在抑制某一種風(fēng)致振動時甚至?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)計時需要結(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、實用的要求進(jìn)行整體綜合考慮，并最終通過風(fēng)洞試驗的驗證來科學(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械式阻尼器來減小拉索風(fēng)雨振動的振幅。各懸索橋為提高自身抗風(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)計方案。

結(jié)語：

如今，大跨度橋梁因其跨越能力強，在我國現(xiàn)代交通運輸系統(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)計又作為大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵，今后，針對風(fēng)振理論和大跨度橋梁的風(fēng)振機理應(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)計提供有力支撐，助力我國早日建成交通強國。

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作者簡介：

郎曉明，舟山市大橋建設(shè)管理局。