桥梁抗风设计

李允

（重庆交通大学，重庆400074）

1 研究背景

风对桥梁的危害是巨大的，作用在桥梁的方方面面。在大跨度桥梁历史上因为风的作用导致桥梁损坏及人员伤亡的例子屡见不鲜，其中以美国的塔科马悬索桥造成的影响最为巨大。塔科马悬索桥位于美国西北的华盛顿州，1940 年3 月通车，在通车使用时就在风的作用下出现了非常强烈的振动情况，1970 年7 月桥梁在18m/s 的风速下最终坠毁。

图1 塔科马悬索桥风毁现场图

此后又出现了一系列的桥梁在风的作用下出现损坏的问题，这引起了桥梁设计工作者的极大关注与反思，抗风设计也被纳入桥梁设计的重要组成部分。

2 风致振动的原因与类型

2.1 风致振动产生的原因

桥梁因风产生毁坏主要的因素是风使桥梁产生各种类型的振动，桥梁产生结构上的破坏，轻则桥梁部件损坏影响桥梁使用寿命，重则桥梁坍塌影响巨大。近年来桥梁风致振动产生的原因主要有两个方面：第一是桥梁建设使用的材料和本身结构形式的原因。风对桥梁产生静力作用和动力作用，桥梁的箱梁、缆索等部件要具有一定的刚性、稳定性和变形能力，以此可以传递减小风的作用力，减弱风对桥梁的影响。桥梁的结构也是抗风设计的重要一环，当风气流通过桥梁时，桥梁的断面形状可以影响风流压。对于桥梁来说，横向风是最危险的一种，桥梁结构设计的是否合理直接影响到风对桥梁产生作用的大小。第二是风致振动的观念并没有得到充分的普及，桥梁工程设计人员并未在设计之初就考虑到全面的抗风措施，这种情况在近年来逐步得到改善。

2.2 风致振动的类型

桥梁风致振动主要有六大类型：

（1）颤振。风经过桥梁时，桥梁会产生振动并且从风中吸收能量，这会引起桥梁的极大不稳定从而损害桥梁的安全，这种破坏形式被称为颤振。颤振具有明显的危险性，当桥梁面临的风达到颤振临界风速时，桥梁持续不断的从风中吸收大量的能量，这是桥梁自身的机构阻尼无法尽快的消耗减少这些能量，桥梁就会产生弯扭耦合颤振。颤振对桥梁的损害主要是机构方面的破坏，桥梁的主梁具备一定的抗扭刚度，在辅助专门的抗风结构设计，就会极大地减小颤振的出现。

（2）抖振。抖振也是风致振动常见的一种病害，可以简单地理解为紊乱的气流风流经桥梁结构后，结构伴随紊乱的气流开始抖动，这被称为抖振。抖振的出现并不需要过高的风速，一般抖振都是较低的风速引起的，而正是这种过低的风速会导致桥梁持续不断的发生抖振，造成桥梁结构的变形，危机桥梁的寿命。

图2 抖振示意图

（3）驰振。驰振是一种发散的横向风流经结构时，被结构阻挡分流，然后导致结构失稳。驰振是一种特殊形状桥梁截面结构中才会出现的风致振动，一般主要为拥有棱角的方形的截面中，在接近方形的截面中也会出现轻微的驰振。

图3 驰振示意图

（4）涡振。风流流经桥梁，桥梁的形状断面为钝体结构时，在桥梁的背面会产生一种漩涡形状的气流交替脱离，在产生这种交替脱落时会出现一种涡激力从而引起桥梁结构发生振动。

（5）静力失稳。这种风致振动是风速很大时出现的情况，当风速较高时，风流经桥梁被分割时其升力和阻力会联合作用，这会导致桥梁丧失扭转的刚度而发生失稳现象。

（6）尾流干扰。风的气流在流经前后两个柱体会相互干扰，这种干扰会作用在桥梁的结构上，使桥梁发生一定的失稳现象，桥梁上的行人及车辆也会感到一定的不适。

3 大跨度桥梁抗风措施

针对风对桥梁产生的振动损害，桥梁应具有一定的抗风措施以保证桥梁的使用寿命。现有的抗风措施主要有两类：结构抗风措施、气动抗风措施。

3.1 桥梁的结构抗风措施

桥梁的结构抗风措施根本理念是加强桥梁的结构刚度和扭转刚性：

（1）增加桥梁的扭转刚性这个在治理桥梁风害时有极大的帮助且作用明显，这个可以显著的提高桥梁的稳定性，具体应用例如可以在修建悬索桥时对桥梁的主梁进行加固并提高其高度。

（2）缆索同样是桥梁抗风的重要结构，在缆索上假装一些抗风设施对于提高桥梁的抗风稳定性也有一定的作用。

3.2 桥梁的气动抗风措施

在风流经桥梁时，风对桥梁产生相互作用的力，这种抗风措施主要从风的角度入手，减小风流的气动影响。

（1）使用桁架形式的主梁。桁架具有非常好的透风性，断面面积小，承受风的影响力小，从而提高桥梁的抗风稳定性。

（2）在主梁上加装一些如风嘴/导流板等设施，对风流进行引导，减小风流作用力，提高主梁的抗风性。

（3）在加劲梁中央开槽。这种方法便于操作，不会增加施工成本，又可以改变风流特性，是一种较为优秀的抗风措施。

4 结论

近年来，我国的桥梁建设越来越多，桥梁的长度也越来越长，这种情况下抗风设计就极为重要。在将来抗风设计必然成为桥梁设计的重中之重，设计人员应及早重视，并且不能单纯的理论研究，应以风洞模型进行更加深入的研究，进一步完善桥梁的抗风设计理论。我国桥梁抗风设计研究起步较晚，相关理论不够完善，需要研究人员持之以恒，是我国的抗风设计水平尽快达到世界前列。