浅析风对悬索桥梁结构的影响之我见
一、大跨径悬索桥在抗风设计中所存在的问题
1、桥梁断面的气动参数
桥梁断面的气动力(力矩)系数,气动导数和气动导纳是桥梁抗风设计中的重要气动参数。气动力(力矩)主要用于桥梁的稳定性分析,通过节段模型可以准确进行测量。
气动导数主要用于桥梁的颤振分析,通过节段模型风洞试验的方法进行测量,气动导数的测量精度对确定桥梁颤振临界风速有重要的影响,特别是当桥梁颤振是多振型、多变量耦合的形态时更是如此。在风洞试验中用节段末年高兴测量气动导数时,要求在耦合振动试验中,模型以纯单一模态运动,但实际上很难做到,因此,如何从风洞试验技术和数据处理方法这两方面来提高气动导数的测量精度是目前研究工作的重点,如何从风洞试验技术和数据处理方法这两个方面来提高气动导数的测量精度是目前研究工作的重点。另外,通过不同桥梁断面形状在不同风速和不同湍流度下的系列试验建立一个气动导数的计算公式,亦是一个研究内容。
气动导纳主要用于考虑抖振动的非定常效应,在研究大跨度桥梁抖振响应时有很重要的作用。目前,对流线性的桥梁断面可采用平板或翼型气动导纳的Sears函数来考虑抖振力的非定常效应,但是,对于复杂的桥梁断面形状,这种方法会产生误差。因此,对气动导纳的研究亦应十分关注。气动导纳的研究工作还有待进一步深入,特别是在湍流场中如何准确建立钝体的非线性、非定常气动力学模型。
2、桥梁的拉索振动
桥梁的拉索振动的形式有涡激振动、尾流振动、参数共振和斜索雨振等,其中研究的重点应该是斜索雨振。
下雨时,大跨度斜拉桥的斜索在一定的风速和风向范围内会引成一条稳定的上水路,发生大幅度的振动,称为雨振。这种振动会引起相邻斜索的碰撞,使其保护皮破损;还会使斜索末端禁固件产生疲劳损伤,导致减震器损坏,危及桥梁的安全。我国上海南浦大桥、杨浦大桥和武汉长江二桥建成后相继观察到斜索雨振现象。国内为对斜索雨振的机理进行了很多研究,除了用驰振理论解释外,还有用二次流理论和能量输入理论来解释雨振现象。中国空气动力研究与发展中心对斜索雨振现象进行了风洞试验,通过测量雨振斜索上的脉动压力分布来研究影响雨振的因素,并将雨振脉动压力积分得到的非定常气动力模型引入斜索雨振时的振幅计算。有关斜索雨振的机理还有待进一步研究。
风对结构的作用不仅是静力问题,对于大跨度柔度桥梁,各类风致振动更是抗风设计时的主要内容。在大跨度桥梁的抗风设计时,除理论分析之外,更主要是通过模型风洞试验予以确定和评价。最后指出了有关风对桥梁作用的研究中,需要进一步研究桥梁断面的气动参数和桥梁拉索振动这两个问题。
二、风动力对桥梁结构的影响 大跨度桥梁,尤其是对风较为敏感的大跨度悬索桥和斜拉桥,除需要考虑静风荷载的作用之外,更主要考虑风对结构的动力作用。其中对桥梁的动稳定性研究尤为重要。颤振和抖振是桥梁最主要的两种动稳定性问题。
1、颤振
颤振是桥梁结构在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下产生的一种发散振动,是在一定的临界风速下结构振动振幅急剧增加而会导致结构毁坏的一种发散振动。发散振动是一种空气动力失衡现象,它主要是因为结构的运动(振动)影响了气流经过桥梁时的绕流状态,因而影响了气动力,从而产生一种所谓自激力,结构在自激力作用下振幅越来越大最后导致动力失稳。由于这种振动一经发生就会导致结构的整体破坏,因而在抗风设计中,要求发生颤振的临界风速大于主梁的设计风速并留有一定的安全余量。
同时，桥梁发生何种颤振与主梁截面的气动外形有这密切关系,通常来讲,主梁截面的流线性越好,气动稳定性越好。因此,在大跨度桥梁的初步设计阶段,有必要对主梁截面进行比选或通过风洞试验对基本截面进行优化,以保证结构的抗风安全性。
2、 抖振
抖振又称为阵风相应,它主要由大气中的紊流成份(即脉动风)所激起,是一种随机强迫振动。虽然是一种限幅振动,但由于发生抖振的风速低,频率大,会导致结构局部疲劳,影响行人和车辆行驶的安全性,因此桥梁抗风设计时也要进行抖振相应分析。近年来,随着对抖振机理的深入认识,提出了一种新的抖振响应分析方法,在频域抖振相应分析中考虑了任意运动的自激力,以及在大变形下桥梁结构非线性的是与抖振响应分析方法,提高抖振响应分析的可信度。同济大学对桥梁抖振相应分析方法进行了简化,给出了实用的计算公式。
对抖振的研究表明:随着桥梁跨度的增大,结构的柔性增加,抖振也会相应增大;且随着风速的增大,抖振相应(振幅及结构内力)会成倍增大。因此,对于设计风速较高或跨度较大的各式桥梁,尤其对大跨度斜拉桥和悬索桥,抗风设计中必须对抖振相应进行检算。
三、大跨桥梁的抗风设计对策大桥工程的挑战性主要表现在团跨度的超大化所带来的结构非线性航风稳定性、施工控制、拉索振动控制，超高桥塔的抗震，以及50m以上的超深水基础和软土锚碇等难题。
1、提高系统整体刚度。大跨度悬索桥的结构刚度主要来自于主缆，因此提高结构整体刚度的着眼点应放在主缆上。通过调整主缆同加劲梁的相对位置和增加特定的水平和横向的辅助索可以达到提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的目的，而颤振临界风速同桥梁扭转频率和扭弯频率比直接相关，所以这类方法对提高大跨和超大跨悬索桥的颤振稳定性也是行之有效的。此外，有的学者还提出应用空间索系来提高悬索桥的侧向和扭转刚度，虽然在理论上非常有效，但由于施工的过于复杂目前很难付诸实施。2、水平辅助索。利用水平辅助索可以提高悬索桥的抗扭刚度从而提高扭转振动频率。因为加劲梁扭转模态振动时两根主缆作异相抖动，表现为沿着桥梁轴线的反对称运动，而水平辅助索将有效地抑制这种主缆的反对称抖动，从而提高结构的抗扭刚度。其效果类似于桥塔抗扭刚度的增强。3、横向辅助索。这些辅助索的共同效果在于将加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在一定程度上耦合起来（扭转中心上升），从而提高结构总体抗扭刚度。当主梁扭转时由于横向辅助索的约束使主梁的扭转运动总是伴随着主缆的运动和加劲梁的侧向水平运动，对相同荷载作用下的扭转振动而言振幅得到了一定的控制，扭转刚度也得到了提升。
参考文献：
项海帆等.公路桥梁抗风设计指南.人民交通出版社，19962) 本州四国联络桥公团.明石海峡大桥耐风设计要领（案），同解说.1988年3月3) 日本道路协会.道路桥耐风设外便览.1991年3月
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