桥梁抗风研究现状

桥梁抗风研究现状摘要：在全世界经济快速发展的背景下，对交通运输的的方便和速度有了更高的要求，桥梁作为其中的关键部分，迎来了更高的挑战。随着桥梁跨径愈来愈大，桥身更轻，桥梁发生风害的概率升高，防治风害的成为了桥梁设计的一个大的关注点。本文讲述了风致振动对桥梁的影响，及桥梁对防风害的措施。关键词：桥梁；抗风；方法THERESEARCHSTATUSBRIDGEWINDRESISTANCEAbstract:underthebackgroundofrapideconomicdevelopmentintheworld,fortheconvenienceandspeedofthetransportationhavehigherrequirements,bridgeasthekeypart,inthehigherchallenge.Withmoreandmorebigbridgespans,bridgeandlighter,theprobabilityofwinddamagebridgeinrise,preventionandcontrolofwinddamageofbridgedesignbecomeabigconcern.Thisarticletellsthestoryoftheinfluenceofwindinducedvibrationofbridge,andthemeasuresofbridgeforwindhazardallovertheworld.Keywords:Bridges；windresistance,；method1引言1940年11月7日美国的跨度853米的Tacoma悬索桥在19m/s的风速下发生剧烈振动而坍塌，这在当时是不可理解的,为了搞清塔可马大桥垮塌的原因,美国华盛顿大学专门建了一座l2mX30.5m吹风口的大型风洞,以1:50的全桥模型来观测塔可马大桥的风振情况。之后大跨径桥梁抗风研究成为了桥梁研究中的一个关注焦点。在全世界经济快速发展的背景下，对交通运输的的方便和速度有了更高的要求，桥梁作为其中的关键部分，迎来了更高的挑战。随着桥梁跨径愈来愈大，桥身更轻，桥梁发生风害的概率升高，防治风害的成为了桥梁设计的一个大的关注点。纵观悬索桥的发展历史，其起源于中国，成熟于美国，革新于英国，进步在日本，普及在中国。在目前为止，悬索桥被公认为跨越能力最大的桥型，建成于1998年的明石海峡大桥的主跨已经达到了1991m。相比于悬索桥，斜拉桥在200～500m的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的缺乏，不能满足工程实际的要求，材料松弛、拉索锚固困难、张拉不足等原因使斜拉桥的设计建设长期未能得到发展，索面体系仅限于稀索。最近几年内，源于计算理论的飞速发展，新材料的开发，施工技术的进步为斜拉桥的发展创造了一定的有利条件。自20世纪末期，随着国内大型桥梁跨度的不断增加，使桥梁抗风问题愈加突出，同济大学最早建立了三维颤振理论，开启了我国桥梁颤振理论研究的开端。进入新世纪以来，随着大型桥梁跨度的进一步突破，为了迎接跨海大桥的挑战，国内外对于桥梁抗风理论的研究更加深入，并逐渐精细化发展，新的理论和抗风设计方法也陆续提出。本文将着重概括介绍近年来桥梁抗风理论研究与应用的成就和进展。2桥梁风环境研究桥梁结构的离地的高度一般不超过300m，在这个范围内的靠近地面的风受到大气边界层内空气流动影响比较大，而且风速和风向具有随时随机变化的不确定性特征。在桥梁抗风理论研究中，一般将靠近地面风化分为平均风速和脉动风速两个部分，桥梁研究的主要对象是对桥梁设计起决定作用的强风，研究的对象包含平均风速剖面、平均风的时间变化规律、脉动风的特性等等。2.1强风平均风速剖面研究桥梁抗风设计需要考虑靠近地面的强风作用，因此需要研究强风结构的特性。在桥梁抗风的设计计算中，需要对桥梁施工地点的强风进行跟踪测量，利用大气的风廓线仪和超声风速仪等工具掌握第一手的强风数据资料。大气风廓线仪本质是垂直指向的晴空多普勒雷达，是目前大气探测领域的先进成果。2.2极值风速风向的统计研究桥梁结构的抗风设计需要建立在风速分布概率不均匀，风向随时变化的环境中，而研究结果在桥梁结构中尤其是大跨度桥梁不同的空间方位上结果变化很大。2.3强风湍流特性观测研究桥梁抗风理论研究研究的主要对象是脉动风相关的湍流积分尺度、湍流强度等特性，从前我国气象部门对靠近地面的湍流特性研究往往集中在非台风气候模式风环境，而对剧烈大气环境的观测研究不多，自从21世纪以来沿海各地进行了系统的以台风为主要研究对象的湍流特性观测研究，观测结果很直接的说明了台风湍流强度明显偏大，而且湍流作用更强。2.4近地风风洞模拟研究近地风风洞模拟技术根据控制部件的方式不同可分为主动、被动模拟两种，主动模拟有可以控制的运动机构，而被动模拟则依赖于格栅等形成湍流边界层，并不需要动力的输入。到目前为止，被动模拟法被国内外广泛采用，且已经可以模拟风速剖面、湍流强度等参数，不过对湍流积分尺度等的模拟仍然欠缺。对于此问题，研究者发现可以将被动模拟中的固定尖劈换成主动振动的尖劈，注入低频湍能可以对湍流积分尺度等进行模拟，通过调整被动模拟参数可以保证各参数的模拟精度。3桥梁抗风研究方法3.1风洞实验研究由于1940年的塔科马悬索桥被风振吹毁，全世界开启了对大跨度桥梁抗风实验研究的序幕，并且逐步发展形成了全桥气弹模型风洞实验、节段刚性模型风洞实验和拉条弹性模型风洞实验方法。20世纪末期，我国开始着手于桥梁的抗风实验研究，同济大学最早实现了全桥气弹模型风洞实验，二十多年来各科研单位陆续完成了近四十座大跨度桥梁的全桥气弹模型风洞实验，其中包含了上海卢浦大桥和苏通长江大桥等著名的大跨径桥梁。节段刚性模型风洞实验能够检验、评价颤振并识别各种气动参数。国内同济大学最早开始着手于研究桥梁断面气动导纳识别方法，总体最小二乘法和基于输出协方差估计的随机子空间法是目前较为成熟的研究方法。3.2数值模拟研究二维桥梁断面气动参数的风洞识别一般使用数值模拟方法，桥梁断面附近集中了复杂的湍流，使数值模拟难度大大提升，采用直接数值模拟或雷诺时均模拟、大涡模拟等方法会使研究更加容易。同济大学率先自主开发了FEM-FLUID和RVM—FLUID软件，并且引进了FLUENT软件，使用这三种数值计算软件的精度相近，计算结果差别较小。3.3理论分析桥梁风振理论可分为颤振理论、驰振理论、涡振理论、抖振理论，其中颤振理论和抖振理论是最为常见桥梁风振理论。颤振理论经过多年的发展已经成为复杂、实验、数值方法、全模态参与的精确方法，二维颤振分析是其中最为实用且简单的一种方法。随着桥梁跨度的增大和桥梁结构刚度的下降，二维桥梁颤振分析方法已经无法满足桥梁颤振分析的精度要求，需要采用三维桥梁颤振分析方法。抖振是湍流绕过钝体结构形成的，是随机的强迫振动，Lin的时域抖振分析理论和Davenport的抖振分析是现在普遍采用的桥梁抖振理论分析方法。经过人们对抖振理论计算结果与实测结果对比发现，强风常以较大的偏角偏离桥跨法向方向，假定气流垂直作用的分析方法计算会有较大误差产生，需要建立假定在斜风作用下桥梁抖振响应的分析方法。基于准定常理论的前提下，同济大学引入了斜气动偏条，提出相应的抖振响应频域分析有限元方法。4桥梁抗风措施在过去的100多年里，大跨度悬索桥的建设已经取得了举世瞩目的成就，在全世界已经建成的跨径排名前十的悬索桥中，中国占有5座，美国2座，日本、丹麦和英国各有1座。中国的5座大跨径桥梁均存在着颤振或涡振等风振问题，需要采取控制措施来改善桥梁的抗风性能，例如，香港青马大桥和润扬长江大桥采用了中央稳定板，舟山西堠门大桥采用了分体双箱梁，明石海峡大桥采用了开槽加稳定板形式的桁梁，大海带桥采用了导流板等。超大跨度桥梁结构的发展已经进入了一个崭新的时代，例如，意大利墨西拿海峡、中国琼州海峡、日本津轻海峡以及连接欧洲大陆和非洲大陆的直布罗陀海峡。为了大大增加加劲梁颤振稳定性，工程师们提出了两种断面形式——即不带稳定板的宽开槽面(WS)和带竖向和水平稳定板的窄开槽断面(NS)。WS断面总宽80m，选用4根主缆，而Ns断面宽50m，采用2根主缆。根据动力特性和风洞试验识别得到的颤振导数，并假定结构阻尼比为0．5％，采用多模态颤振分析方法计算得到了颤振临界风速。广义质量和广义质量惯矩以及颤振临界风速。对于以上两种不同的断面，虽然扭转与竖弯频率比随主缆矢跨比的减小而稍微递减，但是颤振临界风速均随着矢跨比的减小而增大，出现这一现象的最主要原因是在颤振稳定性分析中广义质量特性的显著增加。WS断面和NS断面的最低临界风速分别为82．9m/s和74．7m/s。5斜拉桥风振问题及解决办法目前在世界跨径排名前十的斜拉桥中有7座在中国，1座在日本，1座在韩国，还有1座在法国。除了福建青州大桥由于采用钝体结合梁断面需要同时考虑颤振稳定问题外，全部斜拉桥均碰到了拉索风雨振动的问题，而且采用了一到两种振动控制措施，包括在拉索表面刻凹坑或加螺旋线，以及在拉索下端部安装机械式阻尼器。在桥梁的主梁中央开槽，形成双主梁甚至多主梁，多主梁通过横梁连接构成整体，不同主梁之间桥面可设立分隔带。主梁开槽后，气流可以从槽中自由的流走。当自然风环绕着主梁流动是，主梁上下表面的压力差被降低，气动升力和扭矩幅值也远远减小，桥梁颤振稳定性将增大。当斜拉桥桥面较宽而桥址颤振检验风速较高时，可考虑采用这种形式的主梁。香港昂船州大桥为主跨1018m的双塔斜拉桥，建桥位置经常受到台风袭击，因此对桥梁的颤振稳定性要求较高，这种中央开槽的主梁结构形式就被设计在这座桥跨上，使得该桥抗颤振稳定性满足了要求。与不开槽的桥梁结构相比，中央开槽能提高桥梁颤振稳定性。但并不是开槽越大越好，一方面，开槽宽度增大，将增大主梁上部结构横桥向尺寸，如横梁宽度随之增大，为增大横梁抗弯刚度，横梁高度也将增大，显然桥梁建设经费将增大。另外，也不是随着开槽宽度的增大，颤振临界风速一直增大。研究表明，主梁开槽到一定宽度后，桥梁颤振临界风速将随开槽宽度增大而降低，因此，在满足桥梁使用功能的前提条件下，在经济性和抗风性能上取适当的开槽宽度，这可以借助风洞试验来确定具体的开槽宽度。栏杆、防撞设施和风障尽可能采用大的透风率。人行道栏杆和防撞设施将恶化主梁的气动性能，使得主梁绕流分离加剧，流态复杂化，使风阻系数大大增加，如果采用实体栏杆结果会更加严重。布置在桥面两侧的风障将使桥梁主梁的气动性能变坏，因此在满足环保和行车安全的前提条件下尽量不要设置。在必须的条件下，设置的栏杆、防撞设施和风障应尽可能采用较大的透风率，并使风障的高度尽量较小。采取措施抑制拉索振动，斜拉索风雨振是斜拉索在风雨共现情况下发生的一种大幅度振动，对桥梁的安全产生极大的威胁。对斜拉索风雨振动的大量现场研究观察表明，沿风向向下倾斜的拉索较容易出现风雨振动；而当风与索面之间的风向夹角在3O度到35度时，发生风雨振的概率是最高的；发生风雨振动时拉索振动频率大多在0．6～3．0Hz之间。因为超长拉索的模态阻尼比一般拉索的模态阻尼比很低，也容易引发各种形式的振动。如果拉索发生振动的概率较高，可以通过结构设计或气动措施抑制拉索振动。6总结大跨度桥梁具有结构重量小和刚度、阻尼低的共性，需要针对这些特点进行抗风设计与评价，尤其是抗风动力稳定性的评价和空气静力稳定分析，并进行等效风荷载计算和风振概率性评价和稳定性分析相信随着桥梁抗风理论和应用技术的发展成熟，我国桥梁业一定会迎来更蓬勃的发展。参考文献（reference）：[1]马建，孙守增，杨琦，等．中国桥梁工程学术研究综述2014EJ]．中国公路学报，2014(5)：96．[2]吕振强．现代桥梁抗风理论及其应用[J]．黑龙江交通科技，2014(8)：138—139．[3]刘立博．桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法[D]．西安：长安大学，2009．[4]项海帆，林志兴，葛耀君．中国结构风工程学科发展三十年回顾[A]／／中国结构风工程研究3O周年纪念大会论文集[C]