浅谈桥梁抗风研究

刘儒 重庆交通大学 重庆 400000

一、桥梁抗风研究的意义

回顾1940年以来世界上主要的桥梁风害的情况，其中典型的桥梁（Tacoma桥）被风摧毁的事故，引起了世界桥梁工程师的注意，指出风对桥梁破坏的严重程度。对于桥梁风害的情况，回顾桥梁的被风摧毁事故，其中最早可以追溯到1818年，苏格兰的一座桥，首先因为风的作用而遭到毁坏。之后，到1940年，相继有11座桥因风的作用而受到不同程度的毁坏。其中英国的苏格兰的Tay桥的倒塌造成了75个人死亡的惨剧。此外，还有一些桥梁因风的作用而产生明显的振动。其中，美国的金门大桥于1951年对其进行实测时，发现该桥在8～9级风力的作用下，主梁四分之一跨径处的最大的竖向位移值达到了17m。如此强烈的振动，给桥梁结构的疲劳寿命和行车安全等的危害是不言而喻的。1962年到1983年间，日本的一座简易的人行吊桥和一座正在架设中的桁架桥相继遭到风毁。 斜拉桥和悬索桥方面，日本的石狩河口桥和加拿大的Hawkshaw（LongsCreek）桥等相继因风振导致了桥梁的加固。20世纪80年代在日本的明港西桥港上发现风雨激振的现象，以及在我国的西堠门大桥一直存在的涡振的问题，对桥梁的正常使用和寿命都有着很大的影响。

二、桥梁抗风研究方法和现状

目前对桥梁风致振动的研究方法主要有四类：理论分析、风洞试验、数值模拟和现场观测。本文主要介绍桥梁风工程中的理论分析、风洞试验、数值模拟这三种方法。

1.1 理论分析

根据荷载的表达方式不同，风致振动分析理论主要有频域分析和时域分析。

在频域内分析桥梁结构颤振的理论有经典耦合颤振理论、分离流颤振理论和多模态颤振理论。经典耦合颤振理论最早是Bleich用Theodorsen的平面薄翼理论研究悬索桥颤振而发展起来的，该理论以Theodorsen自激力模型为基础。

在时域内分析桥梁结构抖振的理论有Davenport抖振分析理论、Scanlan抖振分析理论、Scanlan多模态抖振理论。Davenport于20世纪60年代研究了桥梁结构的抖振问题，他运用概率统计的方法和随机振动理论建立了柔性细长结构的湍流抖振响应分析模型，并给出了抖振力模型。Davenport抖振分析理论认为风速的脉动决定了风荷载的统计特性，柔性细长结构的阵风响应可以通过模态叠加求得。Davenport对抖振分析的重要贡献是在功率谱中引入气动导纳来修正按准定常气动力模型计算的误差,，引入联合承受函数来描述气动力沿桥跨方向的相关性。

1.2 风洞试验

桥梁结构模型风洞试验可分为节段模型试验、全桥模型试验、拉条模型试验 按照悬挂方式的不同，节段模型试验可以分为刚性悬挂节段模型试验、强迫振动节段模型试验、自由振动节段模型试验、弹性悬挂节段模型试验。

1.3 数值模拟

数值模拟是应用计算流体力学方法（CFD）模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况并求解结构表面的风荷载。这是近几十年发展起来的一种结构风工程研究方法。随着计算机技术的普及与应用能力的提高，数值模拟技术得到了迅速的发展，可用于桥梁结构空气动力参数研究的计算流体力学方法有多种，如有限体积法、有限元法、有限差分法、离散涡方法。数值模拟结果的准确性和可靠性依赖于对实际问题建立正确的数学模型和算法。目 前，对于气动弹性分析的数字模拟技术，在二维模型和均匀来流条件下的计算比较成熟，正在向三维模型、紊流风场和高雷诺数方向发展。计算流体力学的商业软件比较多，如CFX软件、PHOENICS软件、FLUNET软件等等。

二、风荷载分类

2.1 风的静力作用

静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要的计算对象。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。

2.2 风的动力作用

一个空间结构的桥梁振动体系在近地紊流风作用下的空气弹性动力响应是许多因素共同作用的结果，大致可分为两大类。一类是在平均风作用下，振动的桥梁从流动的风中吸收能量，产生自激振动，如弯扭藕合的古典颤振、扭转颤振、驰振、涡激振。另一类主要是在脉动风作用下的强迫振动，包括抖振和涡激振。虽然涡激振动也带有自激性质，但它和驰振或颤振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种强迫型的限幅振动，因而具有双重性。

三、桥梁抗风的方法措施

3.1 结构构造的制振方法

增加扭转刚性对提高大跨度桥梁设计的发散振动极限风速是非常有效的。如在加劲桁架上设置无钢筋网络相连的行车道桥面结构时，采用设置上下横梁的方法形成准闭合断面可以显著增加扭转。另外，还可以在缆索支撑桥梁上加一些辅助设施同样可以提高其抗风稳定性。比如，在悬索桥的主缆与主梁之间加中央扣可以大大提高发散风速。

3.2 空气动力的制振方法

断面形状对于对风敏感的结构是否稳定有重要 的作用。通常流线型断面的形状要比钝体断面的抗风性能好得多。但当采用薄翼型的断面时，受水平风作用时，有产生涡激振动的可能，薄的流线型断面在有迎角的风作用下，易产生颤振，所以对于各种流线型断面的选择也要慎重考虑，通常通过风洞试验进行试验确定。另一种增加抗风稳定性的方法是采用桁架断面。由于其通风空间较箱形断面大得多，所以静风阻力小得多。此外，常采用在上部结构安装一些附属设施来减小风振，如翼板、导流器及绕流器等。

3.3 机械构造的制振方法

由于缆索体系桥梁的跨度较大，桥梁结构更轻更柔，结构的阻尼特性减弱，造成风和车辆等因素激励下结构响应值加大，故常需要增加结构的阻尼来抑制风振。常常采用被动抑振(如TMD，TLD或ID)和主动抑振(AMD)。被动抑振又分为调谐附加质量方法(如TMD等)和非调谐质量法(如ID冲击阻尼器)。主动抑振方法是采用计算机系统进行监控，如达到需要抑振时，自动驱一套装置改变质量分布、刚度或阻尼等方法来抑振。

四、桥梁抗风研究的未来

桥梁截面模型的有限性问题 有效主梁界面的抗风问题钢梁桥的涡振问题 山区桥梁的抗风问题 细长杆件的抗风问题 施工阶段桥梁的斗振问题 大跨度桥梁的抗风理论 阻尼比的确定等等问题都是我们将来要面对的难题，未来的道路里会有很多的坎坷，很多的困难。