孫 娜

（河北省衡水市公路勘測設(shè)計(jì)所，河北 衡水 053000）

0 引言

我國是受臺風(fēng)襲擊比較嚴(yán)重的國家，改革開放以來，隨著大跨度橋梁建設(shè)的突飛猛進(jìn)，盡管取得了一些令世人矚目的成就，但是橋梁的風(fēng)害仍時有出現(xiàn)。因此，橋梁的風(fēng)害問題必須引起橋梁工程師的足夠重視。

1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)

1.1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則

在橋梁使用期限內(nèi)，對于可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載橋梁不會發(fā)生強(qiáng)度變形破壞和靜力失穩(wěn)。橋梁發(fā)生顫振或馳振的臨界風(fēng)速必須大于橋位處橋梁所處高度上可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速（自激發(fā)散振動的臨界風(fēng)速大于設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.2倍），以確保不會發(fā)生動力失穩(wěn)破壞。由于抖振、雨振和禍激共振不會立刻引起橋梁的破壞，因而抗風(fēng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量不使其發(fā)生或使其振幅限制在允許范圍內(nèi)，并應(yīng)使振動盡快停止，以防止結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、避免人感不適、確保行車安全。

1.2 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)流程

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

風(fēng)荷載的內(nèi)容包括橋址風(fēng)速資料的收集、風(fēng)觀測、確定設(shè)計(jì)風(fēng)速、設(shè)計(jì)風(fēng)荷載、橋位處風(fēng)的紊流強(qiáng)度、強(qiáng)風(fēng)的豎向傾斜角等特性參數(shù)。我國橋梁規(guī)范規(guī)定，以橋梁所在地區(qū)的平坦開闊地面以上10m高度處、10min平均、100年重現(xiàn)期的年最大風(fēng)速作為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的參考風(fēng)速，稱作基本風(fēng)速，并據(jù)此繪成全國基本風(fēng)壓公布圖。在此基礎(chǔ)上考慮橋位處的地形地貌特征、橋梁的高度、橋跨長度和自然風(fēng)的特征（風(fēng)玫瑰團(tuán)）等因素，確定橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和自激振動檢驗(yàn)風(fēng)速。有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括提出抗風(fēng)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，作為確定橋梁結(jié)構(gòu)體系、各構(gòu)件的材料、形狀和尺寸等的參考。其中，最重要的是結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)性能考慮和結(jié)構(gòu)斷面形狀的氣動選型。對于一般的大橋，初步設(shè)計(jì)階段的抗風(fēng)分析可采用近似的公式對方案的靜風(fēng)載內(nèi)力和氣動穩(wěn)定性進(jìn)行估算，待方案確定后并通過節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)測定各種參數(shù)、進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算和各類風(fēng)振分析。

1.2.2 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗(yàn)階段

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗(yàn)包括靜力抗風(fēng)性能和動力抗風(fēng)性能檢驗(yàn)兩部分。靜力抗風(fēng)檢驗(yàn)包括根據(jù)規(guī)范或通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)斷而的靜力氣動力系數(shù)，算出作用在橋梁各個部分的靜力風(fēng)荷載，從而計(jì)算出靜力風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性（扭轉(zhuǎn)發(fā)散和橫向屈曲）。動力抗風(fēng)檢驗(yàn)包括橋梁建成后運(yùn)營狀態(tài)和施工架設(shè)過程的顫振特性、渦激共振特性、抖振特性檢驗(yàn)。采用風(fēng)洞試驗(yàn)或半試驗(yàn)半理論的方法給出橋梁的顫振臨界風(fēng)速、額振形態(tài)，渦激共振的發(fā)振風(fēng)速和振幅估計(jì)，抖振振幅及其產(chǎn)生的慣性力附加內(nèi)力。其中最重要的是要求橋梁的顫振臨界風(fēng)速必須高于橋位處橋梁設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速，并具有一定的安全度。當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果表明橋梁設(shè)計(jì)方案不能滿足抗風(fēng)要求時，則需要修改設(shè)計(jì)成采取其它振動控制及減振措施。對于重要橋梁，宜在初步設(shè)計(jì)階段通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動選型，為確定主梁斷面提供依據(jù)。在技術(shù)沒計(jì)階段并對選定的斷面方案進(jìn)行詳細(xì)的抗風(fēng)驗(yàn)算和風(fēng)振分析，還應(yīng)通過全橋模型的風(fēng)洞試驗(yàn)對分析結(jié)果子以確認(rèn)。

2 橋梁風(fēng)致振動控制

2.1 振動控制的目的及意義

隨著近代橋梁區(qū)向著大跨度和高強(qiáng)輕質(zhì)的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼正在不斷下降。因此在風(fēng)、地震和行車荷載作用下的擺動也在加大。作為這種總趨勢的必然結(jié)果，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，使得結(jié)構(gòu)剛度、舒適度和行車安全的要求越來越難以滿足，甚至?xí){到結(jié)構(gòu)的安全或者無法進(jìn)行設(shè)計(jì)。作為橋梁抗風(fēng)研究的一個新興分支，就是針對經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)或者抗風(fēng)驗(yàn)算不能滿足抗風(fēng)要求的設(shè)計(jì)方案，提出有效的抗風(fēng)措施或修改設(shè)計(jì)，使其滿足抗風(fēng)要求。由于風(fēng)致振動現(xiàn)象有多種型式，因此在振動控制上也應(yīng)該采取不同的對象。通過對橋梁采取振動控制的目的包括以下三個方面：

a）對于顫振或馳振等自激型發(fā)散振動、應(yīng)該絕對避免其發(fā)生，或者使其臨界風(fēng)速提高到高于橋梁在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)橋位處可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速；

b）對于渦激共振，有時是很難避免的，就應(yīng)該設(shè)法提高禍根發(fā)振風(fēng)速，并使其量減小；

c）對于抖振（陣風(fēng)響應(yīng)），則應(yīng)該盡可能地減小其振幅。

顯然對于橋梁振動控制是對橋梁的動力響應(yīng)和動力不穩(wěn)定性（自激振動）等振動現(xiàn)象加以控制，使其在規(guī)定的范圍內(nèi)工作，其規(guī)定范圍即控制條件（控制目標(biāo)值），可以是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移、速度、加速度，也可以是關(guān)鍵部位的內(nèi)力、裂縫寬度等，從而能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能（結(jié)構(gòu)不破壞、行車安全和人感舒適）。

2.2 控制振動的措施

通過結(jié)合工程實(shí)踐，筆者總結(jié)出對控制橋梁風(fēng)教振動的措施可分為兩大類：改善結(jié)構(gòu)的空氣動力學(xué)特性的氣動力學(xué)措施；改善結(jié)構(gòu)的振動特性的結(jié)構(gòu)力學(xué)措施。氣動力學(xué)措施就是改善結(jié)構(gòu)受風(fēng)力作用的狀態(tài)，選擇氣動力穩(wěn)定性良好的橋梁斷面形狀，提高顫振臨界風(fēng)速。由于斷面形狀對風(fēng)的作用的變化非常敏感，采用這種方法?？墒盏绞掳牍Ρ兜男Ч?。但是有時雖然使顫振臨界風(fēng)速提高了，卻可能在低風(fēng)速下發(fā)生較大振幅的渦激共振。因此在選擇氣動力性能良好的斷面形狀時，有時往往還要附加某種氣動阻尼，達(dá)到抑制或減弱渦激共振的目的。由于采取這種措施的成本低、施工方便，又不影響原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故常受到橋梁設(shè)計(jì)師們的歡迎。還有一種改善氣動力性能的方法，就是在橋面上下開孔（格柵）、使其上下“透風(fēng)”，減小橋面上下的壓力差。加勁梁為衍架的懸索橋和斜拉橋的公路橋面上往往開格柵。為了改善橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性，可采用增加質(zhì)量、提高剛度和增加阻尼三種途徑。重量太輕的橋梁容易產(chǎn)生大振幅的風(fēng)致振動（渦振和抖振），如1966年建成的塞文橋和1973年建成的博斯普魯斯一橋，經(jīng)常發(fā)生低風(fēng)速下的“咯吱咯吱”的振動，而1988年建成的博斯普魯斯二橋（與一橋跨度接近的孿生姐妹橋）由于考慮了這種限定性振動引起的疲勞而將箱梁的單位用鋼量增加了33%。當(dāng)時增加質(zhì)量會使恒載增大，使結(jié)構(gòu)的自扳頻率降低而容易引起振動，所以這種措施需綜合考慮慎重采用。提高剛度的方法很多，如采用箱形主梁斜拉橋用A型和倒Y型塔的斜索面等，均可提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。增加陽尼一般都采取機(jī)械裝置來增加氣動阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。

從振動控制方法上可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制（又稱“雜交控制”）。半主動控制、混合控制和主動控制均需要外部能源，構(gòu)造和工作原理比較復(fù)雜，而且維護(hù)管理費(fèi)用較高。氣動力的主動控制型，如可動風(fēng)嘴、射流邊分層控制、導(dǎo)流板輔助翼和折翼控制等必須與氣象觀測預(yù)報(bào)相配合，目前尚處在室內(nèi)研究階段。結(jié)構(gòu)力學(xué)的主動控制型也很少采用，應(yīng)用于工程實(shí)際僅為日本明石海峽大橋主塔獨(dú)立狀態(tài)的施工階段的主動控制和日本一座斜技橋在雙伸臂施工階段抑制抖振的AMD兩個例子。被動型附加阻尼的機(jī)械裝置因其構(gòu)造簡單、維修容易而被廣泛應(yīng)用。這類裝置基本由彈性元件、質(zhì)量元件、阻尼元件三部分組成。常用的阻尼器有沖擊阻尼器（ID）、鏈?zhǔn)阶枘崞鳎–ID）、擺式?jīng)_擊阻尼器（PID）、油阻尼器（OD）、粘性剪切阻尼器（VSD）、質(zhì)量調(diào)諧阻尼器（TMD）、液體調(diào)諧阻尼器（TLD），液住調(diào)諧阻尼器（TLCD）和多重調(diào)諧型阻尼器（MTMD、MTLD）等。應(yīng)用時都要針對具體的結(jié)構(gòu)和振動控制的目標(biāo)值進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，橋梁已經(jīng)成為我國重要的交通樞紐和經(jīng)濟(jì)大動脈。在不斷擴(kuò)建和新開發(fā)的橋梁項(xiàng)目中，應(yīng)充分考慮風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而不斷完善和提高橋梁的質(zhì)量。

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