桥梁抗风的常见措施及定性分析

桥梁抗风的常见措施及定性分析

摘要：首先，分析缆索支撑体系桥梁主要构件风致振动的现象和本质，提出了抗风措施。

其次，以1 400 m主跨的悬索桥、斜拉桥以及吊拉组合体系桥等缆索支承桥梁的主要结构型式为例，采用三维非线性抗风分析方法，进行了动力特性、空气静力和动力稳定性的分析和比较。最后，介绍桥梁基本结构的抗风性能分析，并以连续刚构桥和斜拉桥为重点介绍了最新的研究成果，提出桥梁抗风研究方面存在的几个薄弱点。

关键词：桥梁抗风；风压；风振；措施；定性分析

1研究桥梁抗风的必要性

随着我国国民经济的迅速发展，对公路交通事业提出更高的要求，在宽阔的海域和水深河宽的大江大河，跨越能力大的缆索支撑体系桥梁(包括悬索桥和斜拉桥)将成为首先被考虑的桥型。纵观悬索桥的发展历史，可以认为其起源于中

国，成熟于美国，革新于英国，进步在13本，普及在中国。目前被公认为跨越能力最大的桥型，1998年建成的明石海峡大桥其主跨已达到1 991 m．斜拉桥

在200～500 In跨度内与悬索桥相比有一定的竞争优越性。早期的斜拉桥由于计算方法和手段不能满足要求，材料松弛、拉索锚固困难、张拉不足等原因长期未能得到发展，索面体系仅限于稀索。近年来由于计算理论的发展，新材料的开发配合，施工技术的进步为斜拉桥的发展创造了一定的有利条件。

但在风力作用下，大跨度悬索桥和斜拉桥容易生变形和振动。1940年主跨853 m的美国塔科马在仅有19 m／s的风速下，发生毁桥事故。斜拉桥方面，日本石狩河口桥和加拿大的Hawkshaw(Longsreek)桥等相继因风振导致加固。因此，大型缆索体桥梁的抗风稳定性研究应引起足够的重视。

2大跨度缆索支撑体系的风振现象

2．1主梁体的风振

目前，大跨缆索支撑体系梁桥主梁一般采用扁平截面，由于其本身的抗扭刚度比较大，产生扭转发散振动所需的风速也较高。涡振发振风速较低，发生频率较高，容易使结构物产生疲劳、行车障碍以及诱发过桥者的不安全感，通过增大结构刚度来防止发生涡振是比较困难的。因此减少风振不仅需要选择良好的梁体截面，还要通过风洞试验来选用各种整流装置，如流线型风嘴、整流翼板等。

2．2桥塔的风振

一般来说，同等跨度桥梁的桥塔，悬索桥的桥塔高度大致仅为斜拉桥的一半，桥塔的风振，两者可以相互借鉴。桥塔塔柱常采用矩形，主要考虑涡振与挠

曲驰振的问题。在架设主缆之前，桥塔由于高度较大'冈0度和阻尼相对较小，在小风速的情况下涡振的发生频率是很高的，常安装滑移块或调质减震器来增加塔柱的阻尼。由于桥塔是细长钝体结构，在气流中不断吸收能量，因此驰振的发生也是不可忽视的。当 (升力系数的导数)<0时，可能出现不稳定的驰振现象。

常常通过风洞试验选择合适的桥塔断面来防止驰振的发生，如采用圆形截面和八角形截面。2．3索的风振

由于拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼，在风荷载的作用下，拉索极易发生振动。拉索的风致振动包括涡激共振、尾流驰振、驰振、风雨激振等。拉索的大幅振动容易引

起锚固端的疲劳或者毁坏拉索端部的腐蚀保护系统，影响拉索的使用寿命，严重时甚至要紧急封闭交通。拉索振动已成为大跨径斜拉桥要解决的严重问题之一。在风的作用下斜索的后流会产生交变涡流，成为卡门涡旋。当漩涡脱落的频率和拉索的某一阶自振频率接近时，则发生拉索涡激共振。涡激共振引起的拉索振幅可由下式近似计算：

其中：L C 为升力系数； k f 为模态频率；D 为柱体的横风向投影尺寸；w U 为发生涡激共振的临界风速；2

d m ρε称为Scruton 数，Scruton 越大涡激振动幅度越小。 由上式可以看出，增大拉索的质量和阻尼比可以降低拉索的振幅。

当两根拉索沿风向斜时，来流方向的下游拉索 比上游拉索发生更强烈的风致振动，称为尾流驰振。上游拉索的尾流区存在一个不稳定驰振区。如果下游拉索正好位于这一不稳定区中，其振幅就会不断加大，直至达到一个稳态大振幅的极限环。当两根拉索距离较远时超出尾流驰振不稳定区时，就不会发生尾流驰振。国外研究表明，发生尾流驰振的临界风速可近似表示为：

式中：C 为和上下游索距相关的常数。上式表明，发生尾流驰振的临界风速与模态频率成正比，与Scruton 数的平方根也成正比。

由上式可以看出，增大拉索的质量和阻尼比同样可以增大驰振的临界风速。

风雨激振是在风雨共同作用下发生的拉索振动，是目前已知的拉索振动形式中最强烈的一种大幅低频振动。由于风雨激振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。其研究手段主要有现场观测、风洞试验和理论分析。

3大跨度缆索支撑体系桥梁的抗风措施

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。

4桥梁抗风稳定性的分析与比较

以1 400 m主跨的悬索桥、斜拉桥以及吊拉组合体系桥为例，采用三维非线性抗风分析方法，进行了动力特性、空气静力和动力稳定性的分析和比较，并探讨了具有良好抗风稳定性的缆索支承桥梁结构型式．

4.1动力特性分析

采用基于子空间迭代法的动力特性有限元分析程序，考虑结构的几何非线性因素，分析了成桥状态结构的前2O阶振型，以1 400 m主跨的三种桥型悬索桥、斜拉桥和吊拉组合体系桥的主要振型频率值见表1．分析时，结构离散为三维有限元计算模型，当中桥面主梁采用鱼骨梁式计算模型，桥面主梁和桥塔等构件简化为空间梁单元，主缆、吊杆和斜拉索则简化为空间杆单元，主梁和吊杆或斜拉索之间采用刚性横梁模拟．

表1不同桥型主要振型的频率值(Hz)

注：注：1)数字表示振型阶数；S表示对称振型；AS表示反对称振型．

从表1结果比较可以看出，吊拉组合体系桥的一阶对称竖弯和侧弯频率最大，其它的振型频率都处于悬索桥和斜拉桥之间，但与悬索桥相比有较大幅度的提高．这主要是由于悬吊部分和斜拉部分的共同作用有效地提高了吊拉组合体系桥的结构刚度．与其它振型频率相比，斜拉桥和吊拉组合体系桥的扭转频率比悬索桥高出很多，这对于提高其抗风稳定性是有利的．

4.2空气静力稳定性分析

在O。风攻角下，采用三维非线性空气静力分析程序对悬索桥、斜拉桥和吊拉组合体系桥进行了随风速增加的空气静力特性分析．分析时，桥面主梁考虑了静风荷载的阻力、升力和升力矩三个分量的共同作用，由于三座桥梁的主梁断面形状与润扬长江大桥非常相似，因此相应的静力三分力系数都取用了润扬长江大桥节段模型风洞试验结果；主缆、斜拉索和桥塔仅考虑阻力分量的作用，主缆和斜拉索的阻力系数为0．7，桥塔的阻力系数为2．0．主