浅谈大跨度桥梁抗风设计研究的发展现状

【摘要】随着我国提出建设交通强国，我国交通工程建设迎来新时代踏上新征程，其中桥梁工程作为我国交通工程的重要组成部分，特别是大跨度桥梁在过去几十年快速发展，已然使中国桥梁技术成为令全世界同行瞩目的中心。该文对大跨度桥梁为何要进行抗风设计的必要性进行阐述分析，介绍风致振动的类型，并就目前大跨度桥梁如何提高其抗风性能的方法进行了介绍，还简介了目前部分斜拉桥、悬索桥、拱桥三大类桥型所采用的抗风设计方法。

【关键词】大跨度；桥梁；抗风；风致振动

我国交通工程建设在过去的几十年里取得了举世瞩目的辉煌成就，党的十九大报告中更是对我国交通工程的总体建设目标提出了更高标准的要求，要在新时代开启建设交通强国的新征程。纵观我国交通工程建设发展的这几十年，桥梁工程作为交通工程的重要组成部分，其迅猛的发展速度令人惊叹。从1991年我国建成了第一座完全由我国自行设计、自行建造的主跨达423m的现代化桥梁——上海南浦大桥；2008年正式建成通车的主跨1088m的世界第二大跨径的斜拉桥——苏通大桥；2009年建成通车的采用分体式钢箱梁主跨1650m目前位居世界悬索桥第二的西堠门大桥；2014年正式开工，建成后其悬索桥跨度在国内排名第一、世界排名第二，跨度长达1700m的杨泗港长江大桥。随着科学技术的不断发展，桥梁设计也加入了新的科学理论、正在探索新的研究方法、开发创新新的高性能材料、施工工艺不断推陈出新，在科学技术的强有力推动下，全世界必将有更多大跨度的桥梁在今后涌现。

1、抗风设计的必要性

现代桥梁的跨径随着时代发展需要正在逐步增大，其整体结构也趋向于质轻柔和，这使得桥梁对风荷载的作用就变得更加敏感。桥梁在设计风速下的抗风稳定性已经成为控制桥梁结构设计和现场施工的至关重要的因素之一。从1818年至今，全球有记录的因风致振动被强风摧毁的大跨度桥梁就有近20座。这其中就包括1940年主跨853m风振致毁的美国塔科马大桥，也就是从那时开始，桥梁设计者们才真正重视对大跨度桥梁进行抗风设计的研究。而我国在努力建成交通强国的道路上，对于如今交通工程的质量、舒适性、耐久性、安全性、经济性、环保性等都提出了更高的要求。正因为如此大跨度桥梁对抗风性能的研究就显得更为重要。

2、风致振动的类型

我们在研究桥梁风致振动的形态时，主要将其按照振动机理分为颤振、驰振、抖振与涡激振动四种主要形态。其中桥梁断面的颤振和桥塔断面的驰振同属于气动失稳现象，它是一种可能发散的自激振动，将会对桥梁自身结构产生破坏性的影响；涡激振动也可简称为涡振，它则属于自限幅振动，通常涡振是在风速较低时产生，但它对桥梁结构产生的危害却不容忽视，其可能产生的大幅振动将会严重影响桥上行车的舒适感，并且会加重桥梁自身构件的疲劳问题；抖振是一种强迫振动，抖振振幅随风速的增大而增大，并且存在偏大的可能，特别对于处在海上的桥梁结构，常年平均风速较高外还伴随台风等极端天气气候，这会加重桥梁构件的疲劳问题。

3、抗风性能研究的方法

目前我们所采用的桥梁抗风研究方法主要是通过理论分析、风洞试验技术与实桥测试三种。颤振、驰振和抖振都可通过采用建立相应数学模型的方式进行研究分析。而涡振因其复杂性，至今尚未有能完全准确反映其参数特征的数学分析方法。在理论分析后将通过风洞模拟试验对桥梁的抗风性能进行更为直观细致的研究。如涡振目前主要就是依赖于风洞试验结果来进行判定分析。在大跨度桥梁初步设计阶段，多采用造价低廉、方法简单、结果相对准确的节段模型风洞试验。全桥气弹模型成本较高，结果较节段模型更为准确，多用于大跨度或抗风问题特别突出的桥梁抗风研究中。另外，实桥测试作为在桥梁发生风致灾害时对实桥进行观测和测量桥梁风致振动的主要参数和特征的研究方法，其对于桥梁的抗风设计具有很大研究价值。

而客观地讲，现行的理论分析、风洞试验技术与实桥测试这三者之间也还存在着误差，甚至相应试验分析结论与实桥测试情况相悖。这说明在桥梁抗风研究领域我们仍然需要不断地去探索、思考和反复求解验证，以更科学的方式建立起更为准确的桥梁风振理论、更为精确的研究计算模型和更为简便易行的试验方法。

4、抗风设计方案

想要提高大跨度桥梁的抗风性能主要可以从结构措施（提高结构的整体刚度）、气动措施（改善断面的气动性）和机械措施（增大结构阻尼）三个方面进行考虑。而根据不同的桥型所采用的提高其抗风性能的设计方案也不尽相同，由于各种风致振动的振动机理不同，仅采用一种措施往往只能抑制一种风致振动，对其它的风致振动的效果不佳，并不能达到提高桥梁整体抗风性能的效果。有时，采用某种措施在抑制某一种风致振动时甚至会导致其它类型的风致振动情况加剧。因此，采用何种桥梁抗风措施在抗风设计时需要结合桥梁周围的自然风环境，自身结构截面的基本形状，以及经济、美观、实用的要求进行整体综合考虑，并最终通过风洞试验的验证来科学选择的。在已建成的大跨度斜拉桥中都存在拉索风雨振动的问题，例如苏通大桥、诺曼底大桥、上海长江大桥、仁川大桥等它们有采用拉索表面刻制凹坑、在拉索表面缠绕螺旋线或在拉索下端部安装机械式阻尼器来减小拉索风雨振动的振幅。各悬索桥为提高自身抗风性能也采取了不同的措施，如香港青马大橋采用了开槽以减少构件表面的压力差，润扬长江大桥采用的中央稳定板、大海带桥采用的导流板、西堠门大桥采用的分体式钢箱梁都是通过改善结构断面的气动外形来改善气流绕流的流态，明石海峡大桥采用了开槽加稳定板形式的桁梁等抗风设计方案。上海卢浦大桥拱桥则采用全封闭隔流板的抗风设计方案。

结语：

如今，大跨度桥梁因其跨越能力强，在我国现代交通运输系统中扮演着十分重要的角色。但其结构体系复杂，而抗风设计又作为大跨度桥梁结构的设计关键，今后，针对风振理论和大跨度桥梁的风振机理应该进行更加深入更加科学全面的研究分析，并积极推进如CFD等新技术的创新性研究工作，为大跨度桥梁的抗风性能设计提供有力支撑，助力我国早日建成交通强国。

参考文献：

[1] 项海帆，陈艾荣，葛耀君.中国大桥[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社，2005.5

[3] 马坤全.大跨径斜拉桥建设与展望[J].国外桥梁，2000（4）：60-65.

作者简介：

郎晓明，舟山市大桥建设管理局。