吳志勤，何 超

(1.南京先行交通工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210016;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056)

大跨度橋梁抗風(fēng)措施研究

吳志勤1，何 超2

(1.南京先行交通工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210016;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056)

橋梁風(fēng)害是人們非常關(guān)心的問題之一。橋梁應(yīng)具有抵抗風(fēng)作用的能力，風(fēng)對(duì)橋梁的作用不單純是平均風(fēng)的靜力作用，特別是大跨度橋梁，其柔性較大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮顫振、抖振、弛振等空氣動(dòng)力問題。分析總結(jié)了以往的橋梁風(fēng)毀事故，研究了風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用及其對(duì)策，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

大跨度橋梁;顫振;抖振;弛振

0 引言

1879年12月，英國的Tay橋遭受暴風(fēng)雨襲擊，85跨鑄鐵桁架中的13跨連同正行駛于其上的一列火車一起墜入河中。1940年秋，在19 m/s的8級(jí)大風(fēng)作用下，美國華盛頓建成僅4個(gè)月的塔科馬峽谷懸索橋發(fā)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。橋面的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不斷增大，發(fā)展到±45°的扭角時(shí)，吊索被逐根拉斷，橋面折斷墜落入峽谷中。塔科馬大橋的風(fēng)毀引起了國際橋梁工程界和空氣動(dòng)力界的極大關(guān)切，并開展了大量的理論探索和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。事故發(fā)生后的調(diào)查表明，自19世紀(jì)初以來已有10座橋梁遭到了風(fēng)毀，橋梁風(fēng)害也由此被納入到橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容中來。一直到20世紀(jì)50年代，通過吸取教訓(xùn)，改進(jìn)主梁斷面形狀后，大跨度橋梁又得到蓬勃發(fā)展，美國、日本和丹麥等國先后建成了主跨在1 km以上的大跨度懸索橋，其中日本1998年建成的明石海峽橋主跨達(dá)1 990.8m。隨著大跨度橋梁建設(shè)的日益興起，橋梁抗風(fēng)方面的研究也逐漸成為大跨度橋梁設(shè)計(jì)方面所關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 橋梁風(fēng)害的回顧

有記錄的橋梁風(fēng)毀事故發(fā)生于1818年，在狂風(fēng)作用下，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋遭到毀壞。直到1940年，世界范圍內(nèi)先后有12座橋因風(fēng)的作用而遭到不同程度的破壞，見表1。其中風(fēng)害造成嚴(yán)重事故是英國蘇格蘭的Tay橋的倒塌，共造成了75人死亡。此外，風(fēng)震將導(dǎo)致大跨徑橋梁產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。其中在1951年對(duì)金門大橋進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該橋在8～9級(jí)風(fēng)力的作用下，主梁1/4處的最大單幅1.7 m[1]。如此強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、行車安全等的危害是不言而喻的。

表1 風(fēng)毀橋梁-覽表

1962年到1963年間，日本的一座架設(shè)中的桁架橋和一座簡(jiǎn)易人行吊橋相繼遭到風(fēng)毀。1964年建成的英國福斯橋的獨(dú)立橋塔在施工中因風(fēng)振而產(chǎn)生塔柱接頭部位的損傷。近幾年來，隨著我國大跨度橋梁的建設(shè)，橋梁的風(fēng)害也時(shí)有發(fā)生。例如廣東南海九江公路斜拉橋施工中吊機(jī)被大風(fēng)吹倒，砸壞主梁;江西九江長江公路鐵路兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振、上海楊浦斜拉橋纜索的渦振和雨振使索套損壞等[1]。這些橋梁風(fēng)害事故的出現(xiàn)使人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到橋梁風(fēng)害問題的重要性，促使橋梁工作者對(duì)風(fēng)作用進(jìn)行深入研究分析。

2 風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用

根據(jù)風(fēng)荷載的速度變化規(guī)律及作用周期長短，通常將其劃分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩種類型。

在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，風(fēng)對(duì)橋梁作用的速度大小及方向不隨時(shí)間改變，且作用周期遠(yuǎn)大于橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期[2]，此類風(fēng)荷載稱為平均風(fēng)，其對(duì)橋梁的作用類似于靜力作用。平均風(fēng)的靜壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生阻力、升力和力矩作用，可引起橋梁的強(qiáng)度、變形破壞及靜力失穩(wěn)。

風(fēng)速圍繞平均風(fēng)速隨時(shí)間隨機(jī)變化，同時(shí)作用周期較短[2]，此類風(fēng)荷載為脈動(dòng)風(fēng)，其屬于不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的風(fēng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于動(dòng)力作用。結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象是多樣化的，總體可劃分為兩大類:抖振和自激振動(dòng)。

風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理十分復(fù)雜，它受到風(fēng)本身的自然特性(環(huán)境、地形、地貌) 和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性(結(jié)構(gòu)固有頻率、振型特性、阻尼特性) 以及風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響等三方面因素的制約。論文重點(diǎn)研究風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。

3 風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用—橋梁風(fēng)致振動(dòng)形式及對(duì)策

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須充分考慮風(fēng)荷載，橋梁結(jié)構(gòu)因風(fēng)荷載引起的振動(dòng)形式是多樣性的，根據(jù)其發(fā)生機(jī)理和作用部位可大致劃分為以下幾種。主梁的風(fēng)振形式有:顫振、馳振、抖振、渦激共振;橋塔的風(fēng)振形式有:渦激共振、馳振;拉索的風(fēng)振形式有:渦激共振、馳振、尾流弛振等[2]。

主梁的顫振和馳振是橋梁設(shè)計(jì)人員必須首先考慮的，因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)可能因這兩種振動(dòng)而受到致命的打擊，這兩種振動(dòng)是橋梁結(jié)構(gòu)致命的“急性病”。渦激共振是一種“限幅振動(dòng)”，它將導(dǎo)致橋梁的“疲勞”問題，但不會(huì)馬上引起橋梁的破壞，設(shè)計(jì)者對(duì)此“慢性病”也應(yīng)給予足夠重視。設(shè)計(jì)者可通過風(fēng)洞試驗(yàn)選擇對(duì)主梁有利的抗風(fēng)減振措施，從而避免或減輕橋梁的“急、慢性病”的危害?？癸L(fēng)措施通常可分為改善結(jié)構(gòu)總體動(dòng)力特性和改善結(jié)構(gòu)斷面的氣動(dòng)性能兩大類，前者主要是從結(jié)構(gòu)的布置、材料等方面考慮，后者主要是從橋梁截面的氣動(dòng)外形上考慮。

3.1 顫振

從20世紀(jì)40年代后期開始圍繞塔科馬懸索橋風(fēng)毀事故原因的分析進(jìn)行的試驗(yàn)研究。當(dāng)時(shí)有兩種觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為塔科馬橋的振動(dòng)與機(jī)翼的顫振類同，是一種風(fēng)致扭轉(zhuǎn)發(fā)散振動(dòng);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為塔科馬橋的主梁是H型斷面，存在明顯的渦流脫落，因此是一種渦激共振。兩種觀點(diǎn)互相爭(zhēng)論，直到1969年，斯坎倫(R. Scanlan)提出了鈍體斷面的分離流顫振理論，成功地解釋了塔科馬橋的風(fēng)毀機(jī)理，并由此奠定了橋梁顫振的理論基礎(chǔ)。在這以后，又發(fā)展了多種橋梁顫振分析方法。使大跨度橋梁的顫振問題在工程上得到了較好的解釋。

顫振是一種危險(xiǎn)的自激發(fā)散振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速時(shí)，振動(dòng)的橋梁通過氣流的反饋?zhàn)饔貌粩辔∧芰繌亩拐穹鸩皆龃笾敝磷詈蠼Y(jié)構(gòu)破壞[5]。它是指橋梁以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式或扭轉(zhuǎn)與豎向彎曲振動(dòng)相耦合形式的破壞性發(fā)散振動(dòng)，顫振分扭轉(zhuǎn)顫振和彎扭顫振兩種。目前已有學(xué)者對(duì)橋梁多模態(tài)耦合顫振的自動(dòng)分析進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。

3.2 馳振

對(duì)于非圓形截面的邊長比在一定范圍內(nèi)的類似矩形截面的鈍體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，升力曲線的負(fù)斜率效應(yīng)將導(dǎo)致微幅振動(dòng)的結(jié)構(gòu)能夠從風(fēng)流中源源不斷地吸取能量。當(dāng)風(fēng)速增大到臨界風(fēng)速時(shí)，結(jié)構(gòu)吸取的能量能夠克服結(jié)構(gòu)阻尼所消耗的能量，形成一種發(fā)散的橫風(fēng)向單自由度彎曲自激振動(dòng)。根據(jù)來流的不同， 馳振一般可分為橫流馳振和尾流馳振。

結(jié)構(gòu)是否發(fā)生馳振，主要取決于結(jié)構(gòu)橫截面的外形，橋梁結(jié)構(gòu)的塔柱，特別是施工階段獨(dú)塔狀態(tài)應(yīng)該考慮馳振現(xiàn)象，另外結(jié)冰的拉索也有可能發(fā)生馳振現(xiàn)象。

馳振臨界風(fēng)速與結(jié)構(gòu)阻尼比、密度比成正比，與升力曲線的斜率成反比。

抵抗馳振的方法有以下幾種:

(1)塔頂安裝調(diào)制阻尼器(TMD)，提高結(jié)構(gòu)阻尼比。

(2)對(duì)矩形截面采用倒角的方法，降低升力曲線的斜率。

(3)加大結(jié)構(gòu)的剛度，提高彎曲斜率。

(4)加大結(jié)構(gòu)的密度和阻尼，如混凝土塔較鋼塔阻尼比大。

3.3 渦激振

風(fēng)流經(jīng)過各種斷面形狀的鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)都有可能發(fā)生漩渦的脫落，出現(xiàn)兩側(cè)交替變化的渦激力，當(dāng)漩渦脫落頻率接近或等于結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，將由此發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

試驗(yàn)表明，對(duì)于已確定形狀的和大小的截面，漩渦的脫落頻率與風(fēng)速成正比。渦激振動(dòng)的最大振幅的大小隨結(jié)構(gòu)阻尼的增大而減小，而發(fā)生渦振的風(fēng)速與頻率則幾乎不受阻尼的影響。

一般來說，透風(fēng)率低的扶手欄桿、防撞墻、防眩面板等對(duì)渦激振動(dòng)有不利的影響，而趨于防止或延遲風(fēng)流從結(jié)構(gòu)表面脫落的裝置、促使分離流對(duì)結(jié)構(gòu)黏著的裝置等均對(duì)防止或減少渦振有有利的影響。另外來流的紊流度對(duì)渦激共振也有一定的影響。

渦激振動(dòng)作為一種帶有某些自激性質(zhì)的強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象，有以下特征:

(1)是一種發(fā)生于較低風(fēng)速區(qū)的有限振幅振動(dòng);

(2)只發(fā)生于某一風(fēng)速區(qū)域內(nèi);

(3)阻尼比對(duì)最大振幅有很大的影響;

(4)渦激振動(dòng)或是彎曲振動(dòng)，或是扭轉(zhuǎn)振動(dòng);

(5)斷面形狀的微小變化對(duì)振動(dòng)的影響很敏感。

為此，國際社會(huì)應(yīng)當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)反恐的國際立法上加強(qiáng)溝通和交流，積極推動(dòng)聯(lián)合國層面出臺(tái)網(wǎng)絡(luò)反恐國際合作的決議或宣言，為其他組織和區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)反恐合作提供指導(dǎo)。區(qū)域性組織的國家之間因?yàn)榈鼐?、利益等相近因素，可以最大限度的在反恐問題上達(dá)成共識(shí)，也可以考慮先行在其框架內(nèi)建立網(wǎng)絡(luò)反恐合作的法律機(jī)制。如，可以將上合組織網(wǎng)絡(luò)反恐合作演習(xí)的實(shí)踐以法律形式固定下來，形成成員國之間開展網(wǎng)絡(luò)反恐合作的固有機(jī)制，切實(shí)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)反恐合作的實(shí)效。

因此，渦激振動(dòng)不是一種危險(xiǎn)性的發(fā)散振動(dòng)，通過增加阻尼，或者適當(dāng)?shù)恼餮b置可以將其振幅限制在可以接受的范圍內(nèi)。

降低渦激共振振幅的辦法如下:

(1)增加阻尼或者安裝TMD;

(2)適當(dāng)增加整流裝置來限制渦激振動(dòng)響應(yīng)。減振整流裝置的辦法有很多種，如:折翼板、擾流板、分流板等，具體采用何種裝置，可通過風(fēng)洞試驗(yàn)來確定。

3.4 抖振

20世紀(jì)70年代開始，橋梁風(fēng)致振動(dòng)問題的研究重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向到橋梁抖振上，在Davenport抖振分析理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種抖振分析方法。大氣中的紊流成分所激起的強(qiáng)迫振動(dòng)，也稱紊流風(fēng)響應(yīng)。抖振是一種限幅振動(dòng)，由于它發(fā)生頻率高，可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞。過大的抖振振幅會(huì)讓人感到不適，甚至危及橋上高速行車安全[4]。目前關(guān)于這方面的研究尚不成熟。各振動(dòng)形式的比較見表2。

表2 橋梁振動(dòng)形式比較

4 斜拉索的風(fēng)致振動(dòng)

斜拉橋的風(fēng)致振動(dòng)大致可以分為渦激振、尾流振動(dòng)、雨振、參數(shù)共振以及結(jié)冰索的馳振等。

(1)渦激振:一般拉索的小振幅風(fēng)致振動(dòng)大多是由于渦激共振所產(chǎn)生的，圓形截面的斯特羅哈數(shù)等于0.2，其漩渦脫落頻率隨風(fēng)速線性變化，當(dāng)漩渦脫落頻率與拉索某階橫向振動(dòng)頻率相一致時(shí)會(huì)發(fā)生渦激共振，此時(shí)的風(fēng)速即為臨界風(fēng)速。由于拉索對(duì)漩渦脫落的反饋?zhàn)饔?，渦脫頻率在接近臨界風(fēng)速的一定范圍內(nèi)被拉索頻率鎖定，使發(fā)生渦激共振的風(fēng)速范圍擴(kuò)大。一般觀察到的渦激共振大都是四階或五階的振型。

由于斜拉橋各根拉索的索力、直徑、長度不同，其振動(dòng)頻率也是各不相同的，因此，在不同風(fēng)速條件下會(huì)激起不同部位的拉索振動(dòng)。

(3)雨振:下雨時(shí)當(dāng)風(fēng)的作用方向與斜拉索的下坡一致時(shí)，在斜拉索的表面會(huì)形成上下兩條通道，雨振即為由于這些通道的形成，使斜拉索的截面變?yōu)閷?duì)空氣動(dòng)力部穩(wěn)定時(shí)所發(fā)生的振動(dòng)，見圖1。

圖1 雨振形式

雨振特點(diǎn):

a. 雨振常發(fā)生在斜拉索表面為光滑時(shí);

b. 雨振是風(fēng)速為6～18 m/s的范圍內(nèi)所發(fā)生的一種有限振動(dòng);

c. 發(fā)生的頻率處于3 Hz以下的范圍內(nèi);

d. 易受紊流的影響，紊流強(qiáng)度達(dá)15%時(shí)有可能不發(fā)生雨振;

e. 結(jié)構(gòu)阻尼增加后振幅減少，如附加對(duì)數(shù)衰減到0.02～0.03的結(jié)構(gòu)阻尼后即可制振。

(4)參數(shù)共振:當(dāng)斜拉橋主梁受到各種外界的激勵(lì)，橋面以總體的彎曲頻率發(fā)生共振時(shí)，將使下端與橋面相連接的拉索以同樣頻率隨之振動(dòng)，當(dāng)橋面的振動(dòng)頻率與拉索的橫向振動(dòng)頻率滿足倍數(shù)關(guān)系條件時(shí)會(huì)發(fā)生拉索的參數(shù)共振。對(duì)較長的拉索，微小的橋面振動(dòng)會(huì)激起大振幅的拉索橫向振動(dòng)。

(5)結(jié)冰索的馳振。索表面結(jié)冰而形成馳振不穩(wěn)定氣動(dòng)外形， 引發(fā)拉索馳振， 它與結(jié)冰電纜的馳振機(jī)理相同。

減小斜拉橋拉索的振動(dòng)的方法有:

a. 在拉索兩端安裝阻尼器，常用在拉索與橋面的連接端安裝阻尼器，但阻尼器的位置越接近端部，阻尼比越小，減振效果越差;目前已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐如岳陽洞庭湖大橋(見圖2)、長沙洪山大橋。

圖2 岳陽洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)

b. 把拉索從外索至內(nèi)索相互連接起來，通過連接件的伸縮來耗能，同時(shí)利用幾根拉索固有頻率的不同所產(chǎn)生的干擾效應(yīng)來傳遞能量以達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。

c. 在拉索表面加縱向突出條、螺旋條、分布缺陷、分別凸點(diǎn)等等方法，將水道隱蔽起來或改變水路或防止水路形成等，從而使振動(dòng)得到抑制，見圖3。

圖3 拉索表面處治減振措施

5 -般大跨度橋梁的抗風(fēng)減振措施

橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)包括靜力抗風(fēng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力抗風(fēng)設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，對(duì)于大跨度柔性橋梁，如懸索橋和斜拉橋等的抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)特別重視動(dòng)力抗風(fēng)設(shè)計(jì)，即各種風(fēng)致振動(dòng)的分析。

動(dòng)力抗風(fēng)設(shè)計(jì)的目的在于:

(1)提高結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速，使之大于一定的安全系數(shù)乘以設(shè)計(jì)風(fēng)速，即不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)性的發(fā)散風(fēng)致振動(dòng)(顫振和馳振);或要求發(fā)生這種危險(xiǎn)性風(fēng)振的概率在可靠性允許范圍內(nèi)。

(2)減少各種限幅振動(dòng)(渦振和抖振及派生的拉索參數(shù)共振等)的振幅使之小于可接受值。

橋梁的抗風(fēng)減振措施大致可分為改善結(jié)構(gòu)總體動(dòng)力特性和改善結(jié)構(gòu)斷面的氣動(dòng)性能兩方面。按橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制方式可分為被動(dòng)控制，主動(dòng)控制，半主動(dòng)控制和混合控制[5]。

5.1 改善橋梁的動(dòng)力特性

(1)提高結(jié)構(gòu)的剛度以加大固有頻率，從而提高臨界風(fēng)速和減少振幅。然而對(duì)于柔性大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，增加主梁剛度來滿足抗風(fēng)要求是不經(jīng)濟(jì)的，有時(shí)也會(huì)帶來惡化氣動(dòng)外形的結(jié)果

(2)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可以減少一些風(fēng)致振動(dòng)的振幅，但是也應(yīng)注意該法同時(shí)也降低了頻率，帶來不利的影響。

(3)對(duì)于多數(shù)帶流線型截面的大跨度橋梁，其顫振形態(tài)是以扭轉(zhuǎn)為主的，提高主梁扭轉(zhuǎn)剛度可采用抗扭剛度大的結(jié)構(gòu)有利于提高顫振臨界風(fēng)速，如斜拉橋采用布置成斜索面的A型橋塔，在懸索橋中采用中央扣掛斜吊索，將塔梁固結(jié)以約束扭轉(zhuǎn)變形等等。

(4)除了古典顫振以外，其他各種風(fēng)致振動(dòng)都可以通過提高結(jié)構(gòu)的阻尼來提高抗風(fēng)穩(wěn)定性或減少振幅，然而結(jié)構(gòu)本身的阻尼是有限的，因而可采用安裝阻尼器的方法來見解提高結(jié)構(gòu)的阻尼，如TMD，TLD等。另外混凝土橋較鋼橋阻尼高。

(5)斜拉橋斜拉索的減振制措施也很多，如采用阻尼器，將斜拉索相互連接等，見圖4。

圖4 阻尼器

5.2 改善截面氣動(dòng)性能

造成結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的空氣作用力(自激力、渦激力和抖振力)都是空氣(平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng))繞過橋梁斷面時(shí)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的。改變截面的氣動(dòng)外形必將引起空氣力的增大或者減小。然而由于鈍體結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力學(xué)在理論上的不成熟，目前只能通過風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)的手段來識(shí)別各種空氣作用力，并在大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出一些有效的措施。

(1)提高斷面的流線化程度，使其具有良好的氣動(dòng)性能。

(2)帶懸臂的截面較鈍頭截面有較好的氣動(dòng)性能，且懸臂愈長，氣動(dòng)穩(wěn)定性愈好.在截面頭增設(shè)風(fēng)嘴、裙板將改善氣流的流臺(tái)，減少渦脫，使截面趨于流線型。相反，橋面的防撞欄、透風(fēng)率較低的欄桿、路緣石等對(duì)氣動(dòng)性能是不利的

(3)采用橋面局部開槽的透風(fēng)措施，增加氣動(dòng)穩(wěn)定性，對(duì)于超大跨度橋梁，這種措施是必須的。

(4)增加一些抑流板，導(dǎo)流板和擾流板等減少抖振反應(yīng)，但應(yīng)注意到，由于各種風(fēng)振的極力不同，一種措施并不能兼顧各個(gè)方面，有時(shí)，某種措施能抑制一種風(fēng)致振動(dòng)，而對(duì)另一種風(fēng)致振動(dòng)的效果不大，甚至?xí)鹣喾吹男Ч?。因而必須?jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其效果。

(5)斜拉索可采用表面刻槽、表面加螺旋條、表面加凹凸斑點(diǎn)等方式進(jìn)行改善抗雨振的性能。

6 超大跨度跨海大橋抗風(fēng)對(duì)策

懸索橋的扭轉(zhuǎn)剛度隨著跨徑的增加而驟減，導(dǎo)致其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率及其顫振臨界風(fēng)速的大幅度下降。為了提高超大跨徑懸索橋的扭轉(zhuǎn)剛度，國內(nèi)外學(xué)者從結(jié)構(gòu)措施、空氣氣動(dòng)措施、機(jī)械措施進(jìn)行了大量研究和探索，扼要的講，有如下三個(gè)方面:

結(jié)構(gòu)措施方面，提出了若干結(jié)構(gòu)體系調(diào)整方案，特別是主纜系統(tǒng)的調(diào)整方案，如采用交叉吊索，采用豎向傾斜的空間纜索體系等形式。結(jié)構(gòu)措施的目的主要是為了提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，增大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率，以此提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性[3]。

空氣氣動(dòng)措施方面，主要有在加勁梁兩側(cè)設(shè)風(fēng)嘴，在加勁梁中央采用開槽的措施形成分體橋面等措施。但過寬的中央槽將使橫梁跨度增大，使橋梁造價(jià)增大，過寬的橋面，有時(shí)也會(huì)造成橋塔寬高比的失調(diào)，影響橋梁的美觀。

機(jī)械措施方面，主要是在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結(jié)構(gòu)的阻尼，并減小作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力，從而達(dá)到提高懸索橋氣動(dòng)穩(wěn)定性的目的。這種裝置主要有兩類，一類是阻尼器，另一類是在加勁梁斷面的迎風(fēng)、背風(fēng)邊緣安裝的控制面。當(dāng)加勁梁在氣流作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，用作用在控制面上的氣動(dòng)力來增大結(jié)構(gòu)振動(dòng)的阻尼，從而提高顫振臨界風(fēng)速[6]。

7 需要繼續(xù)研究的問題

7.1 橋梁風(fēng)振理論準(zhǔn)確化

回顧橋梁風(fēng)振理論研究發(fā)展的整個(gè)過程，直至目前，通用的包含氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的自激力和準(zhǔn)定常形式的抖振力仍為線性表達(dá)式，其忽略了非線性項(xiàng)。但隨著橋梁跨度的增加，結(jié)構(gòu)的變形和振幅都達(dá)到了米的量級(jí)，非線性因素的影響增大，應(yīng)該考慮是否需要建立更加精確的氣動(dòng)力表達(dá)式，特別是用現(xiàn)有理論分析抖振響應(yīng)和實(shí)測(cè)結(jié)果有較大的誤差，而且跨度愈大誤差也愈大。因此需要提出新的研究理論，以便得到更加準(zhǔn)確的橋梁風(fēng)振分析結(jié)果[3]。

7.2 設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定

設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是通過基本風(fēng)速的修正來確定的，它一般是相對(duì)于某一標(biāo)準(zhǔn)高度(10 m高度);標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距(10 min時(shí)距);標(biāo)準(zhǔn)地表地貌(一般空曠平坦地表Ⅱ類地表);100 a重現(xiàn)期的年最大平均風(fēng)速。而設(shè)計(jì)風(fēng)速的修正是根據(jù)實(shí)際的重現(xiàn)期修正、橋梁所處的地表特征修正以及高度修正來得到的。設(shè)計(jì)風(fēng)速是否可以通過其他方式來得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，是一個(gè)值得研究的問題。

7.3 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的編寫

目前橋梁抗風(fēng)的主要標(biāo)準(zhǔn)主要是2004年出版的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》等一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在橋梁抗風(fēng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上在規(guī)范中加以明確是一個(gè)急需解決的問題，對(duì)我國大跨度橋梁在抗風(fēng)方面取得更大成就也有重大的意義。

8 結(jié)語

我國的橋梁風(fēng)工程研究經(jīng)過多年的努力已經(jīng)取得了一定的成果，并且隨著各高校風(fēng)洞試驗(yàn)室的不斷增建，關(guān)于橋梁風(fēng)工程研究的硬件設(shè)施不斷完善，各種抗風(fēng)計(jì)算分析軟件也不斷被推出，所有這一切都為新的研究成果的出現(xiàn)打下了基礎(chǔ)，也為我國的橋梁風(fēng)工程研究繼續(xù)取得長足進(jìn)步創(chuàng)造了條件。

[1] 程進(jìn)，江見鯨，肖汝誠，等.風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及對(duì)策[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2002，11(1):81-84.

[2] 李龍安.風(fēng)吹橋動(dòng)的秘密[J].湖北氣象，2001(3):21.

[3] 項(xiàng)海帆，陳艾榮.進(jìn)入21世紀(jì)的橋梁風(fēng)工程研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(5):529-532.

[4] 李永樂，廖海黎，強(qiáng)士中.考慮橋塔風(fēng)效應(yīng)的斜拉橋時(shí)域抖振分析[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23(2):228-233.

[5] 孫國明，張彬，周濤.橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2001(3):29-30.

[6] 張新軍.橋梁風(fēng)工程研究的現(xiàn)狀及展望[J].公路，2005(9):27-32.

U448.14

A

1009-7716(2015)11-0065-05

2015-07-13

吳志勤(1981-)，男，江蘇南京人，工程師，從事混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。