橋梁抗風性能分析簡述

朱良凱，左會軍，劉道龍

(上海正石工程造價咨詢有限公司，上海200071)

1.橋梁抗風性能分析簡介

    氣流繞過一般非流線型外形的橋梁結構時，會產生渦旋和流動的分離，形成復雜的空氣作用力。當橋粱結構的剛度較大時，結構保持靜止不動，這種空氣力作用只相當于靜力作用：當橋粱結構的剛度較小時，結掏振動得到激發，這時空氣力不僅具有靜力作用，而且具有動力作用，在過去相當長的時間內，人們把風對結構的作用僅僅看成是一種由風壓所引起的靜力作用，直到1940年秋，美國華盛頓州建成才4個月的塔科馬懸索橋在不到20nl／s的8級風作用下發生強烈的振動而坍塌，才結束了單純考慮風壓靜力作用的歷史。風的動力作用激發了橋梁風致振動而振動起來的橋梁又可能反過來改變流場和空氣力，形成風與結構的相互作用。當空氣力受結構振動影響較小時，空氣力作為一種強迫力，豐要導致橋粱結構的強迫振動——隨機抖振；當空氣力受結構振動影響較大時，受振動結構反饋作用的空氣力則主要表現為一種自激作用，導致橋梁結構的自激振動——顫振或馳振。橋梁風振理論一般可按橋梁風振的不同形式分成4種，即橋梁顫振理論、橋粱馳振理論、橋梁渦振理論和橋梁抖振理論。

2.橋梁抗風性能分析研究近況

    2.1連續剛構橋

    大跨度剛構橋由于其施工和造價上的優勢成為一種很有競爭力的橋型．但南于其上部結構懸臂施工長度大、自重大，墩體又常采用薄壁墩，其最大雙懸臂狀態的振動頻率往往較低，因而風致振動和風致結構內力就成為橋粱設計、施工者們十分關心的問題。

    聞生、于向東等人通過宜昌長江鐵路大橋雙懸臂施工中的風荷載計算，提出采用數值模擬計算的方法確定孛氣靜力系數。它無需試驗設備．特別是能模擬復雜的幾何外形繞流或湍流問題，流場可視性好，現已被越來越廣泛地應用到下程研究中，成為橋粱與結構抗風研究的重要手殷之一，為大跨度預應力混凝土薄壁柔性墩剮構橋抗風計算提供了一種簡便、經濟的方法。利用數值模擬得到的空氣靜力系數，并考慮陣風效應，計算得到了宜昌大橋懸臂施工階段控制截面的風裁內力。

    鄭史雄等人以主跨為190 m的預應力混凝土三跨連續剛構橋作為研究對象，通過氣彈模型風洞試驗．討論丁平行兩幅迎風側粱與背風側粱的6分力特性，不同風向偏角對剛構橋風致響應的影響。然后結臺試驗結果和數值計算．比較分析了橫向連系對平行兩幅粱風致響應的抑振作用。分析表明，對于由平行兩幅箱粱組成的大跨度剛構橋，其懸臂施工時將兩粱橫向相連對減少結構的風振橫向響應是十分有效而便利的。

    氣彈模型試驗中，由于主梁的豎擺和橫擺兩基階模態主要取決于雙壁墩的剛度，因而在設計模型時，可僅要求雙壁墩滿足彈性參數和質量參數一致性條件；主粱滿足質量參數一致和墩頂處彈性參數一致性條件。這樣設計模型的好處在于，模型主粱制作時不必采用傳統分段留有縫隙的做法，從而使模型主梁的氣動外形達到與實橋完全幾何相似，最太限度地降低對主粱繞流相似性的損害。

    經流場模擬，均勻流場6分力試驗，紊流場中的試驗驗證了其安全性。并提出結構的風載內力由兩部分組成，即風致振動引起和靜風荷載引起的內力。對于前一部分內力，可用氣彈模型試驗所獲得的位移換算至宴橋，再利用有限元法反演求得。

    韓萬水等人采用離散渦(DVM)及風洞測力方法，確定主粱靜氣動力系數；采用抖振時域方法，計算最大雙懸臂狀態時的抖振響應。與風嗣試驗結果進行對比分析。計算中阻尼系數由氣彈模型宴測阻尼比確定；由于氣彈模型設計中阻尼比相似不能夠實現，故修正計算結果，探討阻尼比對抖振響應的影響；最后采用兩種抗風分析方法——陣風系數法和抖振時域分析法，分別對結構進行分析計算。實例分析的計算結果表明，按陣風系數法得到的橫橋向響應偏于保守。

    王中文等人在對虎門大橋輔航道橋懸臂施工階段風致抖振情況進行理論分析和風洞試驗的基礎上，介紹懸臂施工階段結構風致抖振控制的朦理和方法。并通過對懸臂施工階段減振效果和火箭激勵現場實測，驗證了虎門大橋輔航道橋施工階段風致抖振控制方法的有效性和可靠性。

    2.2 斜拉橋

    劉世忠等人對國內首次采用環氧全涂平行鋼絞線的獨塔單索面部分斜拉橋進行了動力特性和抗風穩定性分析。結果表明，最大懸臂施工階段必須避開當地臺風期；成橋狀態、雖然拉索不能提供抗扭剛度，由于部分斜拉橋主粱剛度大的特點，表現出良好的抗臺風能力。最后得出結論為：

    (1)最大懸臂施工階段為橋梁抗風性能最差的狀態．彎扭顫振臨界風速低于檢驗風速，因而此階段的工期安排必須避開當地臺風季節；

    (2)單索面部分斜拉橋不論是施工階段還是成橋狀態，發生純扭轉顫振失穩的可能性小；

    (3)成橋狀態，雖然單索面斜拉索不再提供抗扭能力，但部分斜拉橋主粱抗扭剛度大，扭轉基頻與豎彎基頻之比在2倍以上。加之單位長度梁體的質量也很大，因而，顫振臨界風速明顯提高，實際發生顫振的臨界風速遠遠大干當地的風速記載，因而其抗風性能良好。可抵御100年遇的強臺風襲擊。

    李俊等人采用大型通用有限元程序ANSYS對宜賓長江太橋施工狀態和成橋狀態的動力特性進行了計算，分析了主梁的三分力系數取值，驗算了橋梁的鼓振穩定性和靜力穩定性。結果表明，無論在施工階段的最大雙懸臂狀態或最大單懸臂狀態，還是在成橋狀態，抗風穩定性均十分安全，不會發生靜力扭轉發散失穩。建議對斜拉索采取減振措施，可在設置內置橡膠圈阻尼器的基礎上，再增設碰流變液阻尼器。

    詹建輝等人經研究發現500 m主跨的Pc荊州長江公路大橋北漢通航孔斜拉橋的H型索塔和雙主肋斷面的主梁對結構抗風十分不利。根據橋址自然風條件以及抗風研究的具體內容，采用線性空間有限元動力分析程序，計入主梁斷面的約束扭轉剛度的影響，對結構在成橋狀態和不利旌工狀態的動力特性、氣動穩定性、風致限幅振動，風載內力計算均  進行了較深人研究，得出主要結論為：

    (1)分析計算和試驗研究的結果均表明北漢通航孔橋具有良好的氣動穩定性，無論是成橋狀態還是施工狀態，其顫  振臨界風速都遠大于顫振檢驗風速，大橋有足夠的抗風穩定性。

    (2)在設計基準風逮下，成橋狀態、最長雙懸臂狀態、最長單懸臂狀態的抖振振幅都較小。但如雙懸臂長度繼續加長，兩懸臂端的抖振振幅必然增大，對塔和主粱抗風安全不利。因此設計考慮在施工過程中加設臨時墩是必要的，臨時  墩的位置也是適當的。

    (3)北漢通航孔橋發生較大振幅的渦激共振的可能性很小．可以不必考慮渦激共振對結構疲勞及運行舒適性的影響。

3.總結

    橋梁抗風研究在以下幾方面仍然存在薄弱點，需要通過創新實現突破性進展。

    3.1風振機理研究

    從技術層面上看，大跨度橋梁的顫振穩定性問題和長拉索風雨激振問題可以通過有效的結構和氣動措施加以解決。

    但是由于對機理研究的滯后，至今仍然沒有克分弄清顫振發散的微觀機制，拉索風雨激振的機制以及能有效抑制風致振動的一些氣動措施的空氣動力學機制。因此，對風振機理的研究是一個需要長期努力的課題，只有弄清丁各類風振的致振和抑制機理，才能實現從技術層面向科學層面的飛躍。

    3.2風振理論的精細化

    對于非危險性的限幅風致振動，如抖振和渦振，應該說雖然已經建立起一套可用于解決工程抗風設計的近似方法，但對于風特性參數的合理取值，氣動參數、特別是氣動導納函數的識別以及通過節段模型識別參數時的雷諾數效應等都存在著一些不確定性和難度，致使分析結果與現場實測數據還不能取得一致．需要通過典型工程的案例研究加以對比和驗證，對現行的抖振和渦振分析理論進行精細化的改進，甚至建立新的分析理論和方法。可以說，要更好地解決橋梁抖振和渦振的分析和控制問題，還有許多工作要做。

    3.3概率性評價方法

    風是一種隨機荷載。對各種風振的安全檢驗和評價理應采用概率性的方法。然而，由于動力可靠度分析在理論上的困難以及各種統計參數的缺乏，目前雖然國內外部分學者對幾座大橋做了概率性評價的初步探索，但幾乎所有國家的抗風設計規范仍采用基于經驗安全系數的確定性方法來進行各類風振的安全檢驗：在世界橋梁設計規范已經向基于可靠度理論的方向過渡的總形勢下．應當通過努力盡快陜改變抗風設計規范的落后局面。

    3.4CFD技術和數值風洞

    用計算流體動力學對橋梁抗風工程問題進行三維空氣壓力分布和動態變化的細觀分析來認識各糞風致振動的發生機制，已被日益證明是一種十分有效和有巨大前景的數值模擬手段。運用這種方法可以同時考察結構各部分不同風致振動的相互作用以及獲得各種有效減振措施的空氣動力學解釋。目前，對于氣動彈性分析的數值模擬技術，在二維模型和均勻來流條件下的計算已比較成熟，正在向三維模型、紊流風場和高雷諾數方向發展。數值模擬和縮尺物理模型實驗相比，可以避免縮尺模型制作帶來的材料本構關系的相似性困難和其他的縮尺效應問題(如霄諾數效應)。此外，前面提到的關于風振機理研究和風振理論精細化研究也有賴于數值模擬方法的幫助，以便于揭示致振機理、改進參數識別精度、提高抗風措施的有效性以及建立更為合理的抖振和渦振理論框架等。可以預期．隨著計算流體動力學理論的進步，數值模擬方法將會逐步替代風洞實驗形成“數值風洞”新技術。因此，數值模擬方法應當是本世紀的研發目標。

    3.5橋梁等效風荷栽

    風荷載是大跨度橋梁設計中的控制荷載，尤其是在施工懸臂拼裝階段，風荷載更是關系到施工安全的重要因素。然而，目前規范中規定的風荷載計算方法仍是近似的。除了平均風引起的靜風荷載外，脈動風的作用則分解成用陣風系數考慮的靜力作用以及抖振響應所引起的慣性荷載作用。實際上兩部分作用是不可分割的，存在相互作用的機制，即隨時間變化的脈動風對振動著的橋梁結構的總作用。應當通過對實橋或全橋模型斌驗的應力測試來了解這一規律，或者通過數值模擬方法直接從風壓分布獲得風荷載，并通過比較和檢驗推進橋梁等效風荷載的研究，提高風荷載的精度和可靠性。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)