李允

（重慶交通大學，重慶400074）

1 研究背景

風對橋梁的危害是巨大的，作用在橋梁的方方面面。在大跨度橋梁歷史上因為風的作用導致橋梁損壞及人員傷亡的例子屢見不鮮，其中以美國的塔科馬懸索橋造成的影響最為巨大。塔科馬懸索橋位于美國西北的華盛頓州，1940 年3 月通車，在通車使用時就在風的作用下出現(xiàn)了非常強烈的振動情況，1970 年7 月橋梁在18m/s 的風速下最終墜毀。

圖1 塔科馬懸索橋風毀現(xiàn)場圖

此后又出現(xiàn)了一系列的橋梁在風的作用下出現(xiàn)損壞的問題，這引起了橋梁設計工作者的極大關(guān)注與反思，抗風設計也被納入橋梁設計的重要組成部分。

2 風致振動的原因與類型

2.1 風致振動產(chǎn)生的原因

橋梁因風產(chǎn)生毀壞主要的因素是風使橋梁產(chǎn)生各種類型的振動，橋梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的破壞，輕則橋梁部件損壞影響橋梁使用壽命，重則橋梁坍塌影響巨大。近年來橋梁風致振動產(chǎn)生的原因主要有兩個方面：第一是橋梁建設使用的材料和本身結(jié)構(gòu)形式的原因。風對橋梁產(chǎn)生靜力作用和動力作用，橋梁的箱梁、纜索等部件要具有一定的剛性、穩(wěn)定性和變形能力，以此可以傳遞減小風的作用力，減弱風對橋梁的影響。橋梁的結(jié)構(gòu)也是抗風設計的重要一環(huán)，當風氣流通過橋梁時，橋梁的斷面形狀可以影響風流壓。對于橋梁來說，橫向風是最危險的一種，橋梁結(jié)構(gòu)設計的是否合理直接影響到風對橋梁產(chǎn)生作用的大小。第二是風致振動的觀念并沒有得到充分的普及，橋梁工程設計人員并未在設計之初就考慮到全面的抗風措施，這種情況在近年來逐步得到改善。

2.2 風致振動的類型

橋梁風致振動主要有六大類型：

（1）顫振。風經(jīng)過橋梁時，橋梁會產(chǎn)生振動并且從風中吸收能量，這會引起橋梁的極大不穩(wěn)定從而損害橋梁的安全，這種破壞形式被稱為顫振。顫振具有明顯的危險性，當橋梁面臨的風達到顫振臨界風速時，橋梁持續(xù)不斷的從風中吸收大量的能量，這是橋梁自身的機構(gòu)阻尼無法盡快的消耗減少這些能量，橋梁就會產(chǎn)生彎扭耦合顫振。顫振對橋梁的損害主要是機構(gòu)方面的破壞，橋梁的主梁具備一定的抗扭剛度，在輔助專門的抗風結(jié)構(gòu)設計，就會極大地減小顫振的出現(xiàn)。

（2）抖振。抖振也是風致振動常見的一種病害，可以簡單地理解為紊亂的氣流風流經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)伴隨紊亂的氣流開始抖動，這被稱為抖振。抖振的出現(xiàn)并不需要過高的風速，一般抖振都是較低的風速引起的，而正是這種過低的風速會導致橋梁持續(xù)不斷的發(fā)生抖振，造成橋梁結(jié)構(gòu)的變形，危機橋梁的壽命。

圖2 抖振示意圖

（3）馳振。馳振是一種發(fā)散的橫向風流經(jīng)結(jié)構(gòu)時，被結(jié)構(gòu)阻擋分流，然后導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。馳振是一種特殊形狀橋梁截面結(jié)構(gòu)中才會出現(xiàn)的風致振動，一般主要為擁有棱角的方形的截面中，在接近方形的截面中也會出現(xiàn)輕微的馳振。

圖3 馳振示意圖

（4）渦振。風流流經(jīng)橋梁，橋梁的形狀斷面為鈍體結(jié)構(gòu)時，在橋梁的背面會產(chǎn)生一種漩渦形狀的氣流交替脫離，在產(chǎn)生這種交替脫落時會出現(xiàn)一種渦激力從而引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。

（5）靜力失穩(wěn)。這種風致振動是風速很大時出現(xiàn)的情況，當風速較高時，風流經(jīng)橋梁被分割時其升力和阻力會聯(lián)合作用，這會導致橋梁喪失扭轉(zhuǎn)的剛度而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（6）尾流干擾。風的氣流在流經(jīng)前后兩個柱體會相互干擾，這種干擾會作用在橋梁的結(jié)構(gòu)上，使橋梁發(fā)生一定的失穩(wěn)現(xiàn)象，橋梁上的行人及車輛也會感到一定的不適。

3 大跨度橋梁抗風措施

針對風對橋梁產(chǎn)生的振動損害，橋梁應具有一定的抗風措施以保證橋梁的使用壽命。現(xiàn)有的抗風措施主要有兩類：結(jié)構(gòu)抗風措施、氣動抗風措施。

3.1 橋梁的結(jié)構(gòu)抗風措施

橋梁的結(jié)構(gòu)抗風措施根本理念是加強橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)剛性：

（1）增加橋梁的扭轉(zhuǎn)剛性這個在治理橋梁風害時有極大的幫助且作用明顯，這個可以顯著的提高橋梁的穩(wěn)定性，具體應用例如可以在修建懸索橋時對橋梁的主梁進行加固并提高其高度。

（2）纜索同樣是橋梁抗風的重要結(jié)構(gòu)，在纜索上假裝一些抗風設施對于提高橋梁的抗風穩(wěn)定性也有一定的作用。

3.2 橋梁的氣動抗風措施

在風流經(jīng)橋梁時，風對橋梁產(chǎn)生相互作用的力，這種抗風措施主要從風的角度入手，減小風流的氣動影響。

（1）使用桁架形式的主梁。桁架具有非常好的透風性，斷面面積小，承受風的影響力小，從而提高橋梁的抗風穩(wěn)定性。

（2）在主梁上加裝一些如風嘴/導流板等設施，對風流進行引導，減小風流作用力，提高主梁的抗風性。

（3）在加勁梁中央開槽。這種方法便于操作，不會增加施工成本，又可以改變風流特性，是一種較為優(yōu)秀的抗風措施。

4 結(jié)論

近年來，我國的橋梁建設越來越多，橋梁的長度也越來越長，這種情況下抗風設計就極為重要。在將來抗風設計必然成為橋梁設計的重中之重，設計人員應及早重視，并且不能單純的理論研究，應以風洞模型進行更加深入的研究，進一步完善橋梁的抗風設計理論。我國橋梁抗風設計研究起步較晚，相關(guān)理論不夠完善，需要研究人員持之以恒，是我國的抗風設計水平盡快達到世界前列。