浅议大跨度斜拉桥的风致振动

浅议大跨度斜拉桥的风致振动

摘要：本文就某主跨480m的混合梁斜拉桥工程实践，研究了大跨度斜拉桥的风致振动，对其产生机理和力学效应做出了分析，对如何控制斜拉桥的风致振动也做了讨论。根据研究结果对工程的抗风性能进行了合理的设计，使其抗风稳定性满足要求。

关键词：斜拉桥；风致振动；大跨度结构

Abstract: This paper，according to a main of 480 m hybrid girder cable-stayed bridge engineering practice, researchs long-span cable-stayed Bridges wind-induced vibration, the producing mechanism and the mechanical effect made analysis on how to control the wind induced vibration cable-stayed bridge and discussed. According to the results of the wind resistance to project the reasonable design, make its wind stability meet the requirements.

Key Words: cable-stayed bridge; Wind induced vibration; Big span structure

一、前言

现代中国随着经济的高速发展，对交通基础设施建设的需求越来越大，各地的路桥建设也得以蓬勃发展。进入新世纪以来，对路桥建设焦点也从追求数量转移到追求质量和追求技术的先进性上。在桥梁建设方面，就体现在众多特大桥项目的建设上，如2003年建成的上海卢浦大桥，以550m的跨度创造了新的拱式桥世界纪录，获得了2008年国际桥梁及结构工程协会（International Association for Bridge and Structural Engineering，IABSE)杰出结构奖；2008年建成的世界最大跨度斜拉桥——苏通长江大桥，将斜拉桥跨度的世界纪录提高到了1088m；2009年建成的1650m跨度的舟山西堠门大桥，是目前世界上跨度最大的钢箱梁悬索桥。其中斜拉桥以其良好的结构性能和跨越能力以及优美的外型在我国现代桥梁建设中占据着重要地位。

斜拉桥作为一种新型的桥梁结构，其结构主要由主梁、索塔和斜拉索三部分组成，是一种桥面体系（即主梁）受压，支撑体系（即斜拉索）受拉的大跨度柔性桥梁结构。主梁一般采用结构形式有混凝土结构、钢-混组合结构或钢结构，索塔主要采用钢筋混凝土结构，斜拉索则采用高强度钢丝、钢绞线等高强材料制成。因其传力特点明确、结构受力性能好、跨越能力大、结构造型美观、抗震性能好等特点，在桥梁工程界得到广泛应用。

斜拉桥是一种大跨度柔性结构，动力特性具有很强的非线性。随着斜拉桥向着更大跨度不断发展，对环境变化更加敏感，风致抖振响应问题也更为突出。在风力作用下，更容易出现不利的风振响应，若结构的动力特性不好，极易造成破坏。本文试就斜拉桥风震问题作出研究，对风震控制问题提出了笔者的观点。

二、工程概况

某桥主桥采用双塔双索面五跨连续混合梁斜拉桥，跨径组合为(60+120+480+120 +60)m。主跨及120m边跨采用鱼腹式钢箱梁，梁高3.0m，标准梁段斜拉索索距为16m；60m次边跨采用鱼腹式混凝土箱梁，C50混凝土，梁高3.0m，标准梁段斜拉索索距为8m。主塔采用曲线形钢筋混凝土结构，C50混凝土，塔高自承台以上155.1m，桥面以上塔高113.8m。大桥地处南亚热带，属季风气候，夏秋两季常有热带气漩侵袭，尤其8、9月份，最大风力在12级以上，瞬时极大风速为50.4 m/s。

三、斜拉桥的风致振动

斜拉桥作为一种大跨度柔性结构，对周围环境变化十分敏感，在自然风的激励下可能会引起桥梁的颤振、驰振、抖振、涡激振动等各种形式的振动。轻者会造成行人和驾驶者的不适，严重的会造成桥梁结构疲劳、过大变形及过大内力、甚至导致桥梁的毁坏。

斜拉桥风致振动的产生机理主要有以下几点：

1．桥梁颤振，是一种空气动力失稳现象。

风的动力作用激发了桥梁结构的振动，振动的结构又反过来影响空气的流场、改变空气力，形成了风与结构的相互作用机制。当结构通过气流的反馈作用不断从气流中获取能量，该能量又大于系统因机械阻尼所耗散的能量时，就会引起结构发散振动，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。影响颤振发生的两个重要因素：一是气动方面的因素，主要指结构断面的气动外形；二是结构方面的因素，主要指结构的刚度、阻尼、质量等。颤振的发生是二个因素综合作用的结果。

2．桥梁抖振，是大气来流中的脉动风成分作用在结构上引起的强迫振动，也称为紊流风响应。

根据引起抖振的脉动风来源可将抖振大致分为三类：结构物本身尾流引

起的尾流抖振、上游邻近结构物尾流引起的抖振、大气紊流引起的抖振。在这三类中，大气中脉动风引起的抖振响应占主要地位，也是桥梁抖振研究的主要内容。

3．涡激振动，桥梁处于风场中，周期性的旋涡脱落会产生周期性变化的涡激力，从而引起桥梁的涡激振动。

当旋涡脱落的频率与结构自振频率一致时，结构将会发生涡激共振现象。理论上讲旋涡脱落频率和结构自振频率相等是对某一个风速的情况下，但是由于振动着的体系对旋涡的脱落会产生反馈作用，反映出脱落频率在一定风速范围内会被自振频率“锁定”，使得发生涡激共振的风速范围扩大。

根据相关规范，笔者对项目的风致振动情况进行了具体分析，并结合常用的制振应对措施对本项目的可适用情况进行评价。

三、斜拉桥的风致振动控制

大跨度斜拉桥风致振动主要表现为索塔振动、梁体振动或斜拉索振动。此外，大跨度系杆拱、钢桁梁的某些构件，如吊杆亦会产生过大的振动；大跨连续梁、连续刚构在悬臂施工状态亦会产生较大的横向振动。就目前的技术水平而言，结构振动控制技术各分（即隔振技术、减振技术、耗能技术及主动控制技术）中，比较可行的是减振和耗能等被动控制技术。

1．梁体风振控制——梁体风振控制目前主要采用被动减振技术。比较成熟的控制装置有TMD，TLD，MP等，其中以TMD应用最为广泛。这些装置的构造虽不尽相同，但原理则大同小异，即在与所控模态谐频的情况下，依靠控制装置的大幅振动使梁体振动大大减小，故又称之为动力吸振器。从理论上讲，TMD反馈的是相对位移和相对速度，而TLD、MP反馈的是相对速度和相对加速度，故TLD、MP的控制效果优于TMD，但TLD在振动刚开始时反应比较迟缓。从实施方面看，TMD主要靠质量块的振动来耗散能量，其质量与所控模态质量比在0.02-0.05时效果较佳，质量比过大会导致实施困难；TLD、MP均可实现加速度放大，换言之即实现质量放大，且阻尼效果较好，故TLD，MP本身的静质量较小，可调性强，容易实现。

本项目地处台风登陆点，在台风登陆时，风速高，紊流强度大，因此，桥址区有产生脉动风的条件，施工阶段和成桥状态的抖振响应均需认真考虑，因此本工程在最大悬臂施工阶段避开了台风期，并安装了TMD系统以控制抖振影响。在桥址区，产生10m/s左右的5级风是经常的，但产生20.0 m/s左右的8级大风较少，而产生30.0m/s左右的暴风更少，因而主梁发生竖向涡激共振和扭转涡激共振的概率很小，故只需要注意监测相关数据，而不需采取特别措施。