鋼拱橋在風荷載作用下的穩定計算

劉剛

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545000）

1 概述

1.1 鋼拱橋梁的結構特點

鋼架拱橋梁最早在我國出現可以追溯到20 世紀80 年代。這種橋梁體系取代了傳統的石橋與鋼筋混凝土橋梁，在我國橋梁建筑史上是濃墨重彩的一筆。鋼拱橋梁優勢明顯，具有自重小、結構多變、水平推力小等特征。同時，其剛度相對其他橋梁體系較弱，所以其在外部表現形式上具有更加豐富的選擇。但隨著科技的進步，鋼制斜拉橋的出現也使得此類橋梁的弊端逐漸凸顯出來。具體來說有如下缺陷：①跨度不足。鋼拱橋主要適用于小跨度的使用場景，絕大部分鋼拱橋的跨徑都在250m 以下，而鋼制斜拉橋的跨度可以超過500m。且在跨度較大的場景下，鋼斜拉橋在修建過程中對鋼材的使用更少，施工難度更小。因此，200m 以上跨徑的橋梁不再使用鋼拱橋。②抗風穩定性較差。早期鋼拱橋由于風荷載而出現的事故較少，其原因并非其抗風穩定性具有優勢，而是橋梁本身的跨度較小。而某些大跨徑場景內，鋼拱橋事故頻發，原因在于其結構特殊性使得其幾乎具有所有風致振動類型，導致抗風穩定性較差[1]。然而，隨著結構力學的進步和相關新材料的出現，目前已經出現了很多新的鋼拱橋組合結構體式來克服這些問題，在保留鋼拱橋優勢的前提下克服其技術弊端，使鋼拱橋能夠繼續活躍在當前橋梁體系中。

1.2 鋼拱橋靜風荷載下結構失穩

對于鋼拱橋而言，其極限承載力要從兩個方面進行探討，即面內和面外。極限承載力的研究已經相對比較透徹，科學家利用有限元非線性計算得出的結論是比較準確的。從計算結果上來看，面外荷載問題要比面內荷載問題的復雜度高很多。而靜風荷載就屬于面外荷載的范疇，因此研究也比較緩慢。從目前的研究方向來看，國內外大部分科學家將研究的重點放在了阻力對于極限承載力的影響，而實際上靜風荷載帶來的并不只有阻力，還有升力和升力矩的影響。后兩個因素的被忽視，使得該領域內的研究始終無法達到圓滿。

人們關于風的靜力效應對鋼拱橋梁結構穩定性的影響是早有所覺的。一般把比較均勻平穩的風產生的靜力荷載稱為靜力風荷載。風是一種流體，流動的空氣在途徑橋梁結構而被其切割時，會對這些結構施加一個力的作用，使其產生一定程度的形變。這種形變非常微小，一般難以用肉眼進行觀測，但其對橋梁結構的穩定性影響是非常明顯的。將施加的力進行分類，可以分為阻力、升力和升力矩。其中阻力是研究人員普遍重視的方向，而對升力與升力矩的研究較少。但后面兩種力的疊加效果也非常明顯[2]。

1.3 工程概況

本文研究對象為某鋼拱橋，其主跨設計為80m。整個橋梁的設計體系為中承式連續梁拱組合體。主梁的材料為焊接鋼箱梁，全部結構中拱肋共計3 片，主拱為鋼管混難土材料。其他技術參數如表1 所示。

表1 橋梁設計參數

2 抗風研究的重要性及研究重點

該鋼拱橋采用拱—墩—梁三者固結的形式設計，在結構形式上是比較新穎的。拱上結構比較復雜，在風流經橋梁時可能會產生各種形式振動的疊加，對于橋梁的穩定性和安全性是極大的考驗。因此，對其進行抗風穩定性研究是必不可少的任務，其重要性具體體現在如下3 個方面：①大橋所處的地理位置比較特殊，橋址所在地內的平均風速較大，且每年都會出現極端大風天氣。此外，在橋梁的西南方向存在能夠使風力放大的特殊地形環境。如果不對其抗風穩定性進行研究，那么極有可能造成橋梁損壞甚至坍塌。②橋梁自身的特殊結構，增加了其不穩定性。橋梁采用曲線主梁，且主拱的軸線與主梁的軸線并不是完全重合的。這種結構在水平方向風力的作用下主梁就會出現彎扭耦合作用。③橋梁的主拱形狀為圓柱型，該形狀的結構易形成繞流旋渦脫落，易引發渦振。渦振的誘發條件在較小風速的情況下，旋渦脫落的頻率與結構固有頻率一致，其達成條件并不難。因此，渦振出現的可能性較大，頻繁的渦振雖然不會對橋梁結構產生毀滅性的破壞，但是考慮到該橋梁修建于人口密集的城市居住圈，渦振會大幅降低橋梁的使用體驗[3]。

對于該橋梁而言，在對其進行實地勘測后確認了研究的重點：渦振影響、顫振影響，抖振影響、馳振影響。其中，對于渦振和抖振的穩定性分析要在絮流模型中進行，其他兩種振動方式的穩定性分析在一般風場模型中進行即可。

3 橋梁穩定性試驗

3.1 紊流風場中渦振響應試驗

渦激振動幾乎是任何橋梁體系中都難以完全規避的一種風致振動。其形成原理是，當空氣以較小的移動速度流經圓柱體或者某弧面結構時，受結構體的影響會在其表面形成旋渦。如果風速在某一臨界值以下，那么這些旋渦會從結構表明脫落，而建筑本身存在一個固有頻率，當二者的頻率趨近或完全一致時，就會誘發共振，增大振幅。從危害程度上來說，渦振并不會對結構產生毀滅性的危害，但是本鋼拱橋梁中有84 絲鋼絲結構，且鋼絲較細（直徑為5mm），產生渦振的可能性極大，且84 絲疊加會增加振幅，造成橋體的抖動。長期渦振不僅影響過往行人和車輛的使用體驗，而且會縮減橋梁的使用壽命。

在對相關參數進行實地采集后，最終確定在本次渦振試驗分析中設置的檢驗風速為9.11～18.23m/s。根據風速比m=4 進行計算，則在氣彈模型風洞試驗中的實際風速為2.27～4.54m/s。同時，為了獲取更加廣泛的樣本數據，在每個來流風偏角下設置29 個測試實況，5個風偏角共計145 個測試工況。

試驗結果中，選擇橋梁的拱頂、四分點為研究對象，對其位移平均方差數據進行采集和計算。結果如圖1所示。

圖1 渦振試驗0°風偏角拱肋側向位移均方差

從圖1 中可以看出，當風偏角為-45°時，換算為橋梁實際受風的風速為31m/s，均方差的差值達到最大，為8mm。相對于橋梁本身的規模而言，8mm 的位移量幾乎可以忽略不計。因此，本橋梁中渦振現象并不明顯，不存在渦振顯著區域。因此在實際情況中不需要額外設置抗渦振裝備。

3.2 全橋顫振穩定性試驗

鋼拱橋梁的主要建筑材料是鋼材，作為一種金屬材料，其本身具有一定的延展性和彈性。當風力較大時，作用在橋梁結構上的力會使橋梁結構發生一定程度的彈性形變，而這種外形的變化又會使得橋梁的受力角度發生變化，在結果上相當于氣體邊界條件發生了改變，進而導致橋梁結構產生新的變形。在反復的交替變形中，橋梁形成了顫振[4]。下面設計試驗對本橋梁的顫振情況進行分析。

由相關技術參數可知，本橋梁的顫振風速為45.88m/s，經過換算后得出試驗風速為11.47m/s。在本次試驗中，一共設計了5 個風偏角，每個偏角的角度和對應的測試風速如表2 所示。

表2 顫振參數設計

此外，在本次試驗中，為了能夠獲得更加全面的數據，一共建立了30 個試驗工況。采集的信號來自于橋梁結構的關鍵點：拱肋跨中、拱肋四分點、主梁跨中。采集的信號類型包括橫向位移和豎向位移。需要注意的是，在本次試驗中設計的最大實橋風速為52m/s，這一風速明顯超過誘發顫振的最大風速，因此基本上可以確保數據的全面性和試驗結果的準確性。

從采集的數據來看，本橋梁在實橋風速為3644m/s時，豎直方向與水平方向的位移程度最高達到了127mm，這一振幅已經超過了最大安全振幅，因此需要采取有針對性的措施來減小橋梁的顫振。

3.3 全橋抖振試驗

抖振和渦振一樣，都是在絮流場內產生的橋梁振動形式，但抖振相對于渦振的振幅更大，對橋梁結構體的危害更明顯。抖振在實質上也是一種隨機振動，其原因是在大氣中風力平不是完全平穩的，存在脈動風，對橋梁的瞬間沖擊力增大引起抖振。本次試驗中，風偏角的設置采用研究顫振時相同的方法（表2）。風速在1～8m/s 之間隨機變化，對應的步長設計為步長為0.25m/s。因此，實橋風速為4～32m/s。

試驗結果表明：①風速的增加直接導致了橋梁結構位移量的增加，二者之間呈現出明顯的正相關關系。其中，位移最大量為-61.32mm，最大均方差值為8mm。②橋梁的抗馳振效果突出，在應對實際自然風產生的馳振中，拱肋具有足夠的剛度。

3.4 全橋馳振穩定性試驗

該拱橋拱結構為3 片拱組成的懸挑式結構，在自然風流經上游副拱時，下游主拱和副拱處在上游副拱的尾流中，而下游副拱又處于上游主拱的尾流中，需要通過全橋模型風洞試驗評價大橋馳振的可能性。

本實驗參數設置如表3 所示。

表3 實驗參數設置

馳振穩定性試驗共計30 個試驗工況，試驗過程中分別采集主拱拱頂豎向及側向的加速度時程，進而評價拱橋全橋的馳振穩定性。試驗最大風速對應的實橋風速為60m/s，顯然遠遠高于馳振檢驗風速，從全橋風洞試驗的結果來看，在最大實橋風速60m/s 下，均沒有觀測到全橋模型拱結構的馳振失穩現象[5]。因此，可以認為大橋拱結構具有足夠的馳振穩定性。

4 結語

綜上所述，橋梁設計是一項非常復雜的工程，涉及的學科眾多，對設計人員的專業素養提出巨大要求。在橋梁設計過程中，橋梁的穩定性和安全性是每一個設計人員所共同關注的話題。盡管橋梁設計與建設技術已經較高，但是依舊不能夠完全避免風力造成的負面影響。近年來，發生的橋梁坍塌事件再一次給人們敲響了安全警鐘，如何保證橋梁的安全至關重要。鋼拱橋作為一種重要的結構體系，其形式多變，結構復雜，對其進行抗風穩定性分析是維系橋身安全的重要任務，文章對某實際鋼拱橋梁進行了針對性分析，設計試驗全方位多角度地對其渦振、顫振、抖振、馳振進行了穩定性分析，結果表明除顫振外其他三種振動都不明顯，給橋梁的抗風措施指明了方向。