桥梁抗风控制及设计探讨

2013-04-16孙娜

交通运输研究 2013年8期

关键词：抗风性抗风风洞试验

孙娜

（河北省衡水市公路勘测设计所，河北衡水 053000）

0 引言

我国是受台风袭击比较严重的国家，改革开放以来，随着大跨度桥梁建设的突飞猛进，尽管取得了一些令世人瞩目的成就，但是桥梁的风害仍时有出现。因此，桥梁的风害问题必须引起桥梁工程师的足够重视。

1 桥梁抗风设计

1.1 桥梁抗风设计原则

在桥梁使用期限内，对于可能出现的最大风荷载桥梁不会发生强度变形破坏和静力失稳。桥梁发生颤振或驰振的临界风速必须大于桥位处桥梁所处高度上可能出现的最大风速（自激发散振动的临界风速大于设计风速的1.2倍），以确保不会发生动力失稳破坏。由于抖振、雨振和祸激共振不会立刻引起桥梁的破坏，因而抗风设计中应尽量不使其发生或使其振幅限制在允许范围内，并应使振动尽快停止，以防止结构的疲劳损伤、避免人感不适、确保行车安全。

1.2 桥梁抗风设计流程

1.2.1 结构设计阶段

风荷载的内容包括桥址风速资料的收集、风观测、确定设计风速、设计风荷载、桥位处风的紊流强度、强风的竖向倾斜角等特性参数。我国桥梁规范规定，以桥梁所在地区的平坦开阔地面以上10m高度处、10min平均、100年重现期的年最大风速作为桥梁抗风设计的参考风速，称作基本风速，并据此绘成全国基本风压公布图。在此基础上考虑桥位处的地形地貌特征、桥梁的高度、桥跨长度和自然风的特征（风玫瑰团）等因素，确定桥梁的设计风荷载和自激振动检验风速。有关结构设计的内容包括提出抗风设计对结构设计的各项要求，作为确定桥梁结构体系、各构件的材料、形状和尺寸等的参考。其中，最重要的是结构体系的抗风性能考虑和结构断面形状的气动选型。对于一般的大桥，初步设计阶段的抗风分析可采用近似的公式对方案的静风载内力和气动稳定性进行估算，待方案确定后并通过节段模型的风洞试验测定各种参数、进行抗风验算和各类风振分析。

1.2.2 结构抗风性能检验阶段

结构抗风性能检验包括静力抗风性能和动力抗风性能检验两部分。静力抗风检验包括根据规范或通过风洞试验确定结构断而的静力气动力系数，算出作用在桥梁各个部分的静力风荷载，从而计算出静力风荷载作用下的结构内力、变形，检验结构的静力稳定性（扭转发散和横向屈曲）。动力抗风检验包括桥梁建成后运营状态和施工架设过程的颤振特性、涡激共振特性、抖振特性检验。采用风洞试验或半试验半理论的方法给出桥梁的颤振临界风速、额振形态，涡激共振的发振风速和振幅估计，抖振振幅及其产生的惯性力附加内力。其中最重要的是要求桥梁的颤振临界风速必须高于桥位处桥梁设计使用期限内可能出现的最大风速，并具有一定的安全度。当检验结果表明桥梁设计方案不能满足抗风要求时，则需要修改设计成采取其它振动控制及减振措施。对于重要桥梁，宜在初步设计阶段通过风洞试验进行气动选型，为确定主梁断面提供依据。在技术没计阶段并对选定的断面方案进行详细的抗风验算和风振分析，还应通过全桥模型的风洞试验对分析结果子以确认。

2 桥梁风致振动控制

2.1 振动控制的目的及意义

随着近代桥梁区向着大跨度和高强轻质的方向发展，结构的刚度和阻尼正在不断下降。因此在风、地震和行车荷载作用下的摆动也在加大。作为这种总趋势的必然结果，直接影响到桥梁结构的正常使用，使得结构刚度、舒适度和行车安全的要求越来越难以满足，甚至会威胁到结构的安全或者无法进行设计。作为桥梁抗风研究的一个新兴分支，就是针对经过风洞试验或者抗风验算不能满足抗风要求的设计方案，提出有效的抗风措施或修改设计，使其满足抗风要求。由于风致振动现象有多种型式，因此在振动控制上也应该采取不同的对象。通过对桥梁采取振动控制的目的包括以下三个方面：

a）对于颤振或驰振等自激型发散振动、应该绝对避免其发生，或者使其临界风速提高到高于桥梁在设计使用期内桥位处可能出现的最大风速；

b）对于涡激共振，有时是很难避免的，就应该设法提高祸根发振风速，并使其量减小；

c）对于抖振（阵风响应），则应该尽可能地减小其振幅。

显然对于桥梁振动控制是对桥梁的动力响应和动力不稳定性（自激振动）等振动现象加以控制，使其在规定的范围内工作，其规定范围即控制条件（控制目标值），可以是结构关键部位的位移、速度、加速度，也可以是关键部位的内力、裂缝宽度等，从而能够保证桥梁结构的正常使用功能（结构不破坏、行车安全和人感舒适）。

2.2 控制振动的措施

通过结合工程实践，笔者总结出对控制桥梁风教振动的措施可分为两大类：改善结构的空气动力学特性的气动力学措施；改善结构的振动特性的结构力学措施。气动力学措施就是改善结构受风力作用的状态，选择气动力稳定性良好的桥梁断面形状，提高颤振临界风速。由于断面形状对风的作用的变化非常敏感，采用这种方法常可收到事半功倍的效果。但是有时虽然使颤振临界风速提高了，却可能在低风速下发生较大振幅的涡激共振。因此在选择气动力性能良好的断面形状时，有时往往还要附加某种气动阻尼，达到抑制或减弱涡激共振的目的。由于采取这种措施的成本低、施工方便，又不影响原有的结构设计，故常受到桥梁设计师们的欢迎。还有一种改善气动力性能的方法，就是在桥面上下开孔（格栅）、使其上下“透风”，减小桥面上下的压力差。加劲梁为衍架的悬索桥和斜拉桥的公路桥面上往往开格栅。为了改善桥梁结构的振动特性，可采用增加质量、提高刚度和增加阻尼三种途径。重量太轻的桥梁容易产生大振幅的风致振动（涡振和抖振），如1966年建成的塞文桥和1973年建成的博斯普鲁斯一桥，经常发生低风速下的“咯吱咯吱”的振动，而1988年建成的博斯普鲁斯二桥（与一桥跨度接近的孪生姐妹桥）由于考虑了这种限定性振动引起的疲劳而将箱梁的单位用钢量增加了33%。当时增加质量会使恒载增大，使结构的自扳频率降低而容易引起振动，所以这种措施需综合考虑慎重采用。提高刚度的方法很多，如采用箱形主梁斜拉桥用A型和倒Y型塔的斜索面等，均可提高结构的整体抗扭刚度。增加阳尼一般都采取机械装置来增加气动阻尼和结构阻尼。

从振动控制方法上可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制（又称“杂交控制”）。半主动控制、混合控制和主动控制均需要外部能源，构造和工作原理比较复杂，而且维护管理费用较高。气动力的主动控制型，如可动风嘴、射流边分层控制、导流板辅助翼和折翼控制等必须与气象观测预报相配合，目前尚处在室内研究阶段。结构力学的主动控制型也很少采用，应用于工程实际仅为日本明石海峡大桥主塔独立状态的施工阶段的主动控制和日本一座斜技桥在双伸臂施工阶段抑制抖振的AMD两个例子。被动型附加阻尼的机械装置因其构造简单、维修容易而被广泛应用。这类装置基本由弹性元件、质量元件、阻尼元件三部分组成。常用的阻尼器有冲击阻尼器（ID）、链式阻尼器（CID）、摆式冲击阻尼器（PID）、油阻尼器（OD）、粘性剪切阻尼器（VSD）、质量调谐阻尼器（TMD）、液体调谐阻尼器（TLD），液住调谐阻尼器（TLCD）和多重调谐型阻尼器（MTMD、MTLD）等。应用时都要针对具体的结构和振动控制的目标值进行专门设计。