橋梁結構風振控制與設計思路分析

徐勉科

摘 要：為了提高橋梁結構的抗風性能，強化橋梁主體結構的安全性與穩定性。文章結合實際在闡述橋梁結構風振影響因素的基礎上，對橋梁結構控制風振思路以及設計要點進行總結分析，希望探討后可以給同類工程提供借鑒。

關鍵詞：橋梁結構;風振控制;設計思路;分析

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A

0 引言

橋梁結構的安全性與穩定性，在一定的程度上與橋梁結構風振控制水平的高低有著一定的聯系。因此為了能夠滿足結構性安全性的穩定要求，對橋梁結構風振控制要點以及設計思路進行研究，探尋出更為科學有效的設計方案是本文的研究重點。

1 橋梁結構的風致振動

針對橋梁結構的風致振動而言，具體來看主要包括兩種類型，如限幅振動和發散振動，后者又包括馳振和顫振。如表1所示，即是橋梁結構對風荷載響應的具體類型。橋梁抖振主要是在紊流場的條件下產生，受制于陣風所攜帶的強迫振動和隨機性振動，相應的表現則比較復雜。而就現有的研究數據反映，顫振所帶來的失穩破壞遠高于抖振，但如果后者響應過于激烈，相應的其對橋梁所造成的不良影響也會比較突出。一般來看，處在一定流速條件下的物體，其兩側往往會產生不對稱且脫離表面的漩渦，而后還會出現相互交替的橫向風力，在這樣的共同作用下即會出現渦激共振的不良情況。一般來看，橋梁結構內的主梁整體都應認真分析渦激振動，但是如果桁架主梁的除透風率>50%，那么就無需考慮這樣的情況。另有研究數據表明，大跨度橋梁的主梁和拱橋的吊桿以及斜拉橋的斜拉索等結構物也會出現渦激振動的不良情況，且會對橋梁的正常使用造成影響，這點應引起高度的重視。通常情況下，彈性氣體在氣流條件下出現振動或變形，反過來又推動氣流力的變化，如此彈性體即會出現新的振動和變形，該過程所形成的氣動彈性應高度重視。對于氣動彈性力來說，其不穩定性的情況屬于氣動彈性的一般情況，而橋梁馳振和顫振等則應引起重點關注，特別是氣動彈性力的針對性防控。

2 橋梁結構的風振控制措施

2.1 結構措施

（1）通過增大橋梁結構剛度加大固有頻率。通常來看，促使橋梁結構剛度增加則會引發振動幅度減小的后果，同時臨界的風速也會增大，并最終導致橋梁結構固有頻率的加大。但是這樣的結構處理并不通用，就拿一些柔性大跨度橋梁來說，通過增大剛度并不能達到較為理想的效果，且還會造成很大的不良影響。

（2）通過增大橋梁結構質量來降低風致振動幅度。盡管增加橋梁結構質量會帶來一些積極的影響，但是同時也會影響到橋梁結構的固有頻率，這點應重點關注。

（3）對于那些不屬于流動性的大跨度橋梁，一般應增加其截面的抗扭剛度。通常情況下，這樣的橋梁斷面會出現顫振的不良情況，而扭轉則應引起重點關注，只有落實好這方面的處理，橋梁斷面顫振的情況才能得到有效地規避。

（4）提高臨界風速。在實踐階段中，通過采取多振型耦合顫振理論方法，由于橋梁多振型耦合橋梁，在抗擊風穩定性上有一定的作用。所以在實踐階段中可以通過增加約束方式改善風振結構來實現橋梁整體穩定性。需要注意的是在橋梁結構增加阻尼來抗震風穩定性，這一措施應用的階段它需要考慮到風陣形成的機理，并且根據實際情況對阻尼器的功能進行綜合選擇，如此才能夠提高抗風陣結構的質量。

2.2 氣動措施

對于橋梁截面而言，如果不同類型的氣流經過截面時就會出現相應的氣流作用，在一定的程度上會給橋梁截面的氣動外形造成一定的影響，無論是從前者或者是從后者分析均存在一定的變化。另外由于大橋外形和風荷載性質在一定的程度上會給震動產生一定的作用，如果橋梁的預定功能和結構特征存在不均勻性，在這種背景下橋梁產生的影響減少，就可以通過改良橋梁外形提高導流結構的方式，減少氣動的影響，就目前分析，可知在實踐階段中由于風動實驗的方式，能夠對不同氣流作用下形成的作用進行歸納分析，風能力控制上需要從以下幾個層面做好控制：

（1）實施不同截面顫振導數測試的過程中，形狀相同的截面應確保其穩定性和寬度比等的適宜，特別是寬度比，通常應使其處在>7的條件下。

（2）橋梁斷面懸臂型橋梁較之鈍頭橋梁斷面的氣動性更為突出，且懸臂長度與橋梁穩定性之間極為協調，如此也就保障了長懸臂結構的穩定。

（3）截面形狀的端部有著極為重要的作用，特別是在裙板和風嘴設計。通過這樣的精細設計，能夠精細地形成流線型截面，同時還能有效地規避渦脫等不良情況。

（4）對于橋梁存在更大跨度或是較低頻率的情況，一般可在橋面部位開槽通風，以確保氣動性穩定性的達標。

（5）通過在橋梁結構中增加一定數量的抑流板和導流板等的處理方式，能夠極大程度地降低抖振等不良情況發生的可能性。

2.3 機械措施

此類處理主要是在以上氣動措施無法達到預期效果的條件下應用。相應的處理主要分為以下幾種：

（1）對于主動控制來說，主要是在外部能源介入的基礎上進行，與此同時通過外部荷載的共同作用進行瞬間控制。不僅如此，也可借助于增大或減小結構動力的方式，以起到減弱振動影響的效果。這方面的控制為的是通過實時監測結構動力反應進行，其中涉及到的現代控制理論對模型的主動控制應重點關注，以通過精細的計算達到最佳的控制效果。通常情況下，即便外部輸入巨大的能量時，也可起到限制橋梁結構振動的現實效果。以下是兩種不同機制的主動控制：

①反饋機制，該條件下的主動控制主要是在結構反應觀測的基礎上進行，這點應重點關注;

②前饋機制，這方面的控制主要是通過環境干擾觀測進行。

（2）半主動控制，該過程主要是在結構反應和外部激勵信息的主導下進行，此類控制與以上主動控制在實施上有著諸多的相似之處。其都是借助于結構的調節進行結構剛度等內部參數的調節，以將結構的反應降到最低，這樣即能使結構達到最佳的狀態，而系統也能高效地控制。對于半主動控制來說，其所用到的設備是一種機械式，通過其與橋梁剛度的結合進行高質量地處理。

（3）被動控制，這樣的控制能夠在被動的條件下消耗振動能量，如此這樣條件下所存在的不良影響即能有效防控。

（4）混合控制，這樣一種控制融合了主控制和被動控制，可以說集合了以上兩種控制的優點，且具備風振控制的應用優勢。具體來看，這樣的控制有著主動控制優良的控制效果，且能最大程度的利用振動能量，以使以上控制方式處在一種最為理想的應用狀態。

3 橋梁結構抗風設計要點

針對橋梁結構的振動來說，風也會是引起震動的主要因素，在設計橋梁臨界風速的時候，需要針對實際情況對臨界風速可能引起的震動問題進行考慮。此外還需要根據實際情況控制渦激共振和抖振產生的幅度，減少每個階段抗震的問題使其能夠達到實際需求。所以在具體設計的階段中需要考慮到橋梁臨界風速和橋梁安全密度的關系，要根據實際情況綜合性的選擇風洞試驗的方式以及氣動模型的方式進行模擬設計分析，并且在掌握相關設計參數之后，根據設計方案的需求做好橋梁抗風設計的思路構建。

（1）各個地區的風力特性往往有著很大的差異，因此在具體設計的過程中應加強橋梁施工區域的調查和分析，尤其是橋梁結構方面的設計資料，應確保全面精細。例如橋梁所在區域的特殊風向和特殊地形等，都應進行精細全面地分析。另外，還應根據整體性的分析做出靈活的調整。

（2）橋梁的設計還應精細分析橋梁的動力特性，這樣風振分析才能高效地落實。具體分析的過程中，一般可通過適宜的動力模型進行，借助于結構相近的橋梁實測資料的比較，以對所得到的分析結果進行深層次地驗證。

（3）橋梁顫振過程中的臨界風速也應進行精細的分析，且應將其放在極為突出的位置。對于基準臨界風速小于臨界風速的情況，往往會產生嚴重的不良后果，因此應高度重視。相對來說，外界風速小于臨界風速時，相應的橋梁則會受到較小程度的振動，這樣的一種情況對防控振動有著重要的現實價值。

4 結語

綜合以上敘述，在橋梁結構風險控制以及設計的階段中想要確保橋梁結構的安全性，就需要根據實際情況對橋梁結構風振的影響因素進行分析，并且采取有效的設計方案減少風振造成的影響。在上文研究中，針對結構風險控制以及設計要點進行了詳細的探討，提出了針對性的設計思路，目的在于提高橋梁結構的抗風性能，強化整體結構的安全穩定性。

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