桥梁风致振动综述

桥梁风致振动综述

摘要：桥梁，作为一种连接构造物，从古至今扮演着跨越天堑、连接通达的重要角色。从最开始的天然桥梁，到慢慢出现的石拱桥，到梁桥板桥，再到现代桥梁结构，桥梁的发展历史悠久，并且成果斐然。但是在发展的过程中，不可避免的遇到了很多问题，这些问题有些被攻克解决了，还有一些仍未能被人类精确地理解和研究，仍在威胁着桥梁的安全。本文主要讨论大跨度桥梁的风致振动问题与抗风设计方法。

关键词：桥梁风致振动，大跨度桥梁，桥梁抗风设计

一、大跨径桥梁的轻柔化

在了解风致振动、风工程之前，我们先要了解，风究竟是什么呢？风是大气边界层内空气流动现象, 并且其流动的速度和方向具有随时间和空间随机变化的特征。在研究风对桥梁的作用时, 通常把风处理为在一定时距内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风速两部分。风作用于桥梁结构时, 由风的压力作用形成对结构的风荷载, 同时, 风还会引起桥梁的颤振、驰振、抖振和涡激振动等各种形式的振动。

20世纪，大跨径桥梁得到了发展，然而在这些发展初期，风致振动稳定并没有成为大跨径桥梁的重要控制因素。直到1940年11月，位于美国华盛顿州、仅建城4个月的塔科马（Tacoma）大桥，在风速甚至不足20m/s的风下，发生了破坏。这场破坏举世震惊，也第一次让工程师们认识到风对于大跨径桥梁的重要作用。

那么为什么，大跨径桥梁对风的敏感性这么高呢？这里我们要从大跨径桥梁的轻柔化说起。

为了减轻自重，增强跨越能力，比起传统混凝土桥梁，大跨径桥梁通常采用钢结构、钢混组合、结合结构等。我们知道，钢材料的阻尼（damper）要小于混凝土，那么大跨径桥梁材料的基频也较小，通常为0.08Hz左右，而风的卓越频率在0.1Hz左右，二者比较相近，易产生共振；而相应的，地震卓越频率在1Hz左右，不易于大跨径桥梁产生共振。这就解释了为什么大跨径桥梁对风作用敏感、对地震作用较不敏感，而小跨境桥梁恰恰与之相反。

二、风工程

风工程（wind engineering）是指与自然风有关的生活或工业应用设施等主要涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性。

风工程主要关注的领域有：桥梁结构、建筑、农业、汽车行业等，可以说在各行各业风工程都占有着举足轻重的地位。经过多年发展，风工程研究手段主要有：

（1）风洞试验：

风洞试验是指在模拟大气边界层的基础上，以实际地形为参照，按照一定缩尺比制作反映实际地形特点的地形模型，通过合理布置测点或流迹显示方式，获取特定位置的风特性和整个复杂地形区域内的风场分布。

（2）CFD数值模拟：

数值模拟通常以计算流体动力学为基础，计算模拟复杂地形区域上方的空气流动情况，从而得到边界层内不同位置处风特性分布规律。

（3）现场观测：

现场实测研究一般通过区域内已有的气象站台或临时架设的观测点获得一定观测期内的风特性，然后根据某些相关关系或守恒特性建立区域内其他位置与已有风速资料观测点间的联系，从而推算得到其它位置处的局部风特性。

常用的现场观测方法有：

①台风观测

②实地录像

③实地-相应观测等。

三、桥梁的风致振动

为了简化研究，常常将风对主要构件的影响分为平均风产生的静力作用和脉动风产生的动力作用两部分。

静力作用分析参考材料力学方法，均布的风荷载会对构件产生横向阻力、竖向升力和升力矩。

动力作用较为复杂，通过查找资料，将作用汇总到下表。

（１）颤振

颤振是由于气体不稳定性引起的一种自激发散震动，这种现象一旦发生，就会导致桥梁构毁灭性破坏。在大跨度桥梁的设计中，必须确保桥梁在施工和成桥营运状态下均不出现颤振破坏。目前颤振研究方法一般分为风洞试验方法、半实验半理论方法和纯理论方法。

（２）涡激振动

桥梁涡振是一种带有强迫和自激双重性质的风致限幅振动。涡振虽然不会像颤振一样导致桥梁灾难性的破坏，但导致其发生的风速低、频率高，有可能导致杆件裂纹或疲劳破坏，影响行车的舒适性和安全性。

对于大跨度斜拉桥和悬索桥，主梁、桥塔和缆索都可能发生大幅涡振；对于大跨度拱桥，拱肋、主梁以及吊杆在较低的风速下也容易发生涡振，因此桥梁涡振是桥梁风工程领域中一个非常重要的问题。

目前对于桥梁涡振的研究，大多基于风洞试验方法研究涡振影响因素，随着计算机性能的飞速提高及流体力学的不断发展，数值风洞方法将是涡振研究非常有前途的技术手段。

（３）抖振

桥梁的抖振主要是指紊流场作用下的随机振动。抖振分析方法基于Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ强迫抖振力与Ｓｃａｎｌａｎ自激力，有时域法与频域法２种分析方法，时域法可以考虑的非线性因素较多，但是近年来可以考虑部分非线性因素的频域方法也被建立，同时由于风荷载表达式的同一性，诸多学者将颤振与抖振统一为颤抖振分析体系，在低风速下桥梁主要受抖振力影响表现为抖振效应，在高风速下桥梁主要受自激力影响出现颤振效应。

（４）驰振

根据登哈托的研究，驰振可以解释为结构准定常气动力对攻角的负斜率引发的一种发散性振动。大型细长结构易诱发驰振现象，由于驰振在桥梁结构上相对发生频次低，所以相关研究较少。大跨度桥梁的桥塔在施工和运营阶段时，高耸的桥塔和斜拉索在自然风的作用下可能会发生驰振。由于六角形或矩形截面的升力系数对攻角的斜率为负，因此它们是不稳定的截面，如果桥塔的塔柱细而高，应做倒角处理，以提高驰振稳定性。

（５）斜拉索风雨振

风雨激振是斜拉桥在不大的风速和下雨条件下频繁发生的一种风致振动。斜

拉索在风雨共同作用下发生的风雨振是各种振动形态中最为激烈的一种，其研究

涉及到流体力学、结构力学、非线性动力学等多种学科领域。

不同类型风荷载引起大跨度桥梁结构振动形式汇总如下表 1 。

四、风致振动控制

为尽量避免驰振的动力不稳定现象, 减少抖振、涡激振的振福, 并使其尽快平息, 如何保证桥梁结构在风振情况下的安全性及稳定性已成为非常重要的课题。

桥梁抗风设计原则和所要达到的目标如下：

（1）在桥梁的使用期限内，对于梁和塔可能出现的最大风荷载，桥梁不会

发生强度破坏、变形破坏和静力失问稳现象。

（2）在桥梁的使用期限内，主梁发生自激发散振动的临界风速必须大于桥

位处主梁上可能产生的最大风速，以确保桥梁不会产生动力失稳破坏。

（3）在桥梁的使用期限内，将桥梁可能产生的限幅振动的响应限制在允许

的范围之内，并应使其振动尽快停止，以防止结构和构件产生疲劳破坏，确保行

车安全。

桥梁结构的振动控制分为主动控制、半主动控制和被动控制。

（1）主动控制是利用外界提供的能力，使安装在结构上的控制器装置动作

达到控制振动的目的。

（2）半主动控制保留了主动控制方法中的一些优点，同时减少了采用主动

控制时所需要的大量外部能源及其装置，是一种适用于具有相对较低频带呼应的

结构振动控制方式。

（3）被动控制不需要提供外部能源，主要有隔振技术、减振技术、耗能技

术等，比较可行的是减振和耗能等被动控制技术。

此外，提高、改善抗风能力的措施有：

（1）结构措施：增加结构的总体刚度，如质量、中央扣、辅助索等。.斜拉桥

和悬索桥大多采用箱型梁来提高主梁的抗扭刚度，大跨度斜拉桥梁还常采用A字

型或倒Y字型塔的斜索面方式提高以整体的抗扭刚度。

（2）气动措施：改善桥面结构的绕流特性，从而减小激振外力，如开敞式

桥面、风嘴、中央稳定板、导流板、拉索的表面加工等。

（3）机械措施：附加阻尼提高气动稳定性或降低风振相应，如阻尼器等。

主要参考文献

［1］林元培．斜拉桥［M］．北京：人民交通出版社，2004.

［2］刘士林，王似瞬．斜拉桥设计[M] ．北京：人民交通出版社，2006

［3］顾安邦，向中富．桥梁工程（下册）第三版［M］．北京:人民交通出版社，2017

［4］刘玲嘉．桥梁工程第四版［M］．北京:人民交通出版社，2017