大跨径斜拉桥抗风稳定性研究

王哲

摘要：伴随着我国桥梁跨径的不断延展伸长，对于柔性较大的斜拉桥来讲，在设计时需要考虑风致效应产生的空气动力问题，对应问题需要多方面因素出发提出风振控制手段措施，以保证大跨径斜拉桥具有足够的抗风稳定性。

关 键 词：大跨径桥梁；风致效应；气动措施

中图分类号：TU 13 文献标志码：A 文章编号：

1940年塔科马海峡大桥发生严重风毁事件，引发了国际桥梁工程界及空气动力界的极大关注，这也标志着自此为桥梁风工程研究的起点，使得在桥梁设计之中开始考虑桥梁风致效应的严重性。由此可见风致效应对大跨径桥梁有着极其重要的作用，桥梁在抗风方面的研究也有着举足轻重的意义。

明确大跨径斜拉桥在抗风设计中的设计要点；找到大跨径斜拉桥不同设计参数对结构气动稳定性的影响；根据风致振动的机理，能够采用相应的结构措施、气动措施、机械措施来提高桥梁的抗风性能^[1]，具有重要工程价值及研究意义。

1 桥梁风致灾害实例

2020年5月5日下午15时左右，连接珠江两岸的广东虎门大桥发生了异常的抖动现象，悬索桥桥面晃动不但感知明显，影响了行车的舒适性及交通安全性，且其振幅在监控中显示为波浪形，幅值过大。这件事情引发了不单有我国桥梁工程专业的广泛关注，在社会中也激发了广大人民群众的激烈讨论及反响。此次虎门大桥的异常晃动并没有发生一定的损失，相关部门也立即采取措施，对虎门大桥进行双向封闭管制，对虎门大桥也进行了紧急的全面检查检测，交通运输部也组建了专家工作组到现场进行研究指导。

随着我国大跨径桥梁的发展建设，桥梁风害也时有发生，例如广州九江公路斜拉桥在施工过程中吊机被8级大风吹倒进而砸坏主梁；江西长江公路铁路两用桥吊杆发生涡激共振；上海杨浦大桥斜拉索的风雨振引起的拉索索套严重毁坏等^[3]。灾害的发生时刻警醒着人们，大跨径斜拉桥的设计中有关抗风设计日益成为焦点；桥梁风害的问题的重要性，促使着人们对桥梁风致效应的研究不断深入。

2 桥梁结构的风致效应

桥梁结构的风致效应十分复杂，它受结构的形状、刚度、风的自然特性以及二者相互作用的影响。风荷载一般根据作用周期长短而将其划分为平均风和脉动风两种类型。一般来讲，桥梁整体结构的刚度越大，结构相对保持静止，此时空气力的作用相当于静力作用，对应桥梁结构的响应只考虑横向屈曲和扭转发散；当桥梁整体结构刚度较小时，结构自身振动易被激发，此时空气力的作用不单产生静力作用，还会产生一定的动力作用，对应桥梁结构的响应需要多加考虑颤振、涡振、驰振及抖振^[4]。将上述两种情况相结合，桥梁结构的风致效应见下表。

表1 桥梁结构的风致效应类别

空气力作用	结构响应与受力特征
静力作用	静力失稳	横向屈曲 扭转发散
动力作用	自激振动	涡激共振
		抖振
		颤振
	强迫振动	耦合振动
		驰振

斜拉桥本身是一种柔性结构体系，斜拉索受力明确为受拉，但由于从索塔两边至主梁跨中延展，斜拉索的倾斜角度愈小且拉索长度愈大，使得拉索的垂度效应非常明显，导致结构的非线性更加显著；与此同时，拉索对主梁形成多点弹性支撑，主梁明显受弯为主，也具有一定的承压特性。

3 斜拉桥结构风振控制措施

桥梁的抗风设计一般包括静力抗风设计和动力抗风设计两种，在考虑结构的静力失稳并针对其采用的静力抗风设计方面的研究设计比较成熟，对于大跨径斜拉桥这种柔性桥梁结构，动力抗风设计无疑成为更为重要的方面。

3.1 主梁

主梁的风振效应主要有颤振及抖振，颤振的破坏性之强及频率之多使得颤振问题是桥梁设计计算时考虑的重点。采用有限元软件对拟定的斜拉桥孔子和变量分别对主梁高度及主梁宽度进行数值分析，我们可以得到如下结论：随着梁高的等值增加，主梁的竖弯自振频率和扭转自振频率都将有小幅度的增加；随着梁宽的等值增加，主梁自重增加非常明显，竖弯频率将有小幅度的增加，而扭转自振频率与之无关。

风振控制措施：

（1）安装风嘴和优化风嘴形状。这是提高桥梁颤振稳定性的常用措施，风嘴一般可以采用倒三角形式或弧线形式，采用风嘴的目的是为了防止主梁在主梁腹板拐点处空气动力发生流动分离而形成的大型漩涡。

（2）梁中设置中央开槽。这种措施可以增加主梁结构的透风面积，显著的降低加劲梁顶面和底面二者的风压差，改善加劲梁部分的绕流特性，通过提高结构颤振临界风速控制颤振发生频率。

3.2 桥塔

桥塔在斜拉桥结构中起主要受压作用，桥塔的风致效应主要有抖振、驰振及涡激共振。主要考虑桥塔的横桥向结构型式及桥塔高跨比对结构动力特性的影响，相同风速之下，倒Y型桥塔的竖向位移及扭转静力抗风都要比A型桥塔小，二者在横向静力抗风方面基本相同；在同型式桥塔及同等风速作用下，桥塔的高跨比越大，斜拉桥的空气静力稳定性越好。

风振控制措施：

（1）使用材料及桥塔型式选取。混凝土阻尼比远大于钢材阻尼比，主要承压得桥塔采用混凝土材料使得其风致效应较低。双柱型桥塔自身基频较低，从中对比选择倒Y型桥塔改善抖振影响。

（2）阻尼器设置。将阻尼器合理安置在桥塔振型最大位移处，有效对桥塔振动进行能量耗散，可以直接有效达到减振目的。

3.3 拉索

斜拉索的抗风设计可以分成两个方面：顺桥向研究风向平行与拉索索面和横桥向研究风向垂直于拉索索面。二者都以建成的苏通大桥为例，在横桥向风阻系数方面，拉索表面采用螺旋线的气动措施的拉索结构可以有效控制拉索阻力系数；在顺桥向风阻系数方面，阻力系数单调随拉索倾角的增大而增大，并且拉索表面设置一定气动措施的拉索结构也能够控制拉索阻力系数。

风振控制措施：

（1）拉索两端安装阻尼器。通过模态阻尼直接耗散斜拉索振动能量，实现拉索减振的效果，需要注意的是阻尼器的位置不能太接近拉索两端，否则会大大减小阻尼比，使得减振效果大打折扣。

（2）降低拉索表面平整性。常见的气动措施如对拉索表面压痕凹坑、螺旋线、纵向肋等可以有效控制其风阻系数，从而抑制涡激共振。

4 结语

本文从风致效应对大跨径桥梁的灾害性及具体作用出发，结合大跨径斜拉桥结构本身的主要设计参数对结构气动稳定性的影响分析，以此为基础研究对应结构构件的风振控制措施的原因及目的。随着我国各个风洞实验室的不断增建；硬件设施不断完善；实验数据不断完备；各类风致效应计算分析算法和软件的不断提出，这些改善都能够为全新的研究成果打下基础，指引方向，保障我国桥梁设计理论依据权威，运营阶段安全耐久。

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