桥梁抗风设计研究

谷子

[摘要]桥梁结构在风的作用下的破坏现象是危害性巨大且对交通影响极为恶劣的现象。本文通过对于旧塔科马大桥桥毁事故的回顾阐释了桥梁抗风设计的重要性，同时对桥梁在风作用下的静力作用和动力作用做出了说明。另外，本文通过从桥梁的结构措施、气动措施、机械减震措施三个方面说明了当今桥梁抗风的主要方法。

[关键词]桥梁风方程；杭风设计；桥梁减震 文章编号：2095-4085（2018）06-0037-02

1 抗风设计的重要性[1，2]

风对桥梁产生的不利作用是多方面的。由风引起的不同程度的桥梁振动会产生各种各样的危害作用。当振动达到人可以感知的范围时会使使用者产生不安全感。剧烈的振动还可能造成桥梁毁坏并产生人员伤亡和巨大的经济损失。桥梁的抗风设计不是自古就有的，而是在一次又一次的工程经验和工程事故中总结得出来的。其中比较有名的是美国旧塔科马悬索桥的风毁事故（图1）。

旧塔科马大桥建于1940年，是一座悬索桥。该桥主跨为853m，宽为11.9m，加劲梁采用H型板梁，梁高2.45ma该桥纤细的桥型也成为了其之后风毁的根本原因。

在刚通车使用的时候，旧塔科马桥就表现出在风的作用下产生强烈震动的情况，其振幅最大可达1.5m。4个月后，由于放置在跨中约束主缆和加劲梁之间位移的斜拉索的断裂，旧塔科马桥的振型突然发生了改变。在秒速18m的风的作用下，其扭转震动越来越强烈，主跨四分之一断面以±45°的幅度反复翻转。在震动持续数小时后桥梁终于断裂，大部分加劲梁坠入河中。后续科学家证明旧塔科马桥是由于发生了风致颤振导致了最后的破坏。逐步研究表明大跨度柔性桥梁存在这多种形式的振动，如颤振、抖振、涡振、驰振等。

2 风对结构的作用

2.1 静力作用

结构保持静止或其振动不影响空气力，在稳定的风作用下的定常反应称为风的静力作用。

气流的流速及方向不变，绕过固定的桥梁时就形成了一个定常的流场。空气的作用力为空气对桥梁表面的作用力，也是定常的。此时流场可以简化为二维，空气作用力分解为三个分量：

阻力D=v2CDAl2，

升力L=ρυ2CLA/2，

升力矩M=ρυ2CMAB/2，

CD，CL，CM為空气力分量的静力系数，

A，B为桥梁的迎风投影面积和桥宽。

2.2 动力作用

颤振：在风的作用下，振动的桥梁不断地吸收风的能量，使其振幅逐步增大，最后是结构发生破坏的振动形式。

驰振：桥梁不断吸收风的能量，是非扁平截面细长钝体结构的振幅逐渐增大的发散性自激振动。

涡激共振：由交替变化的涡激力产生的结构共振现象。气流在绕过桥梁时发生旋涡脱落，当其接近桥梁的自振频率时即产生涡激共振现象。

抖振：由短周期脉动风的紊流成分所激发的桥梁结构的随机振动。

3 桥梁的抗风设计理念

桥梁抗风设计的基本理念是保证桥梁的结构安全可靠，经久耐用，应包含以下内容：

（1）在设计使用年限内不出现严重的自激发散振动。（2）在设计使用年限内桥梁结构不出现静力失稳现象。（3）采取适当的措施保证结构的抗风能力。

另外就桥梁的抗风问题而言，桥梁的设计风速要在其临界风速基础上保留足够的安全余量。在桥梁的初步设计方案不能满足抗风要求时应采取适当的抗风制振措施，最大程度的提高桥梁的抗风性能。

4 桥梁抗风措施

桥梁的抗风措施可以从三个方面考虑：桥梁的结构措施、空气动力学措施、机械减振措施。

4.1 桥梁的结构措施

桥梁的结构措施的理念是加强桥梁结构的刚度，增大结构的固有频率以达到提高桥梁的抗风稳定性的目的。具体措施如下：

（1）非流线型截面桥梁提高其截面扭转刚度可以有效提高其抗风稳定性，例如在悬索桥中增大主梁高度等。（2）调整加劲梁和主梁的相对位置，增加特定竖向和斜向的交叉索。

4.2 桥梁的气动措施

在绕流过程中，气流与桥梁截面产生相互作用力，采取相应气动措施可以降低其影响：

（1）采取桁架形式主梁。桁架形式桥面主梁透风性能良好，同时抗扭刚度较高。（2）设置风嘴。设置边缘风嘴可以改善绕流形态，减弱涡振带来的影响。（3）加装导流板。在风速较低时导流板可以有效改变结构周围得到流场状态，达到调整结构运动的目的。（4）在加劲梁中央开槽。中央开槽一方面可以改善风流特性，另一方面又可增加透风面积。

4.3 桥梁的机械减振措施

在气动措施采用无法达到设计要求时可以采用机械减振措施。

调谐质块阻尼器一般多安装在高层建筑中，其自重很大。当有外力作用于建筑时，调谐质块阻尼器通过产生与建筑相反方向的摆动达到减振的目的。调谐质块阻尼器现已在很多桥梁上面得到了应用，在减轻涡激共振、抖振中起到了很好的作用。

5 结语

近年来我国掀起了大型桥梁的建设热潮。桥梁的跨度越长，桥型偏于细长，越需要在抗风理论和抗风制振措施设计上下功夫。同时，设计人员还应该将理论和实际紧密联结在一起，运用风洞实验技术和数值风洞模拟对新型抗风策略进行更加深入的探索。

参考文献：

[1]王英伟.桥梁抗震、抗风设计理念及方法研究[J].抗震研究，2016，（04）：492-495.

[2]张新军.桥梁风工程研究的现状及展望[J].公路，2005，（09）：27-32.