橋梁抗風(fēng)控制及設(shè)計(jì)探討

孫 娜

（河北省衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所，河北 衡水 053000）

0 引言

我國(guó)是受臺(tái)風(fēng)襲擊比較嚴(yán)重的國(guó)家，改革開(kāi)放以來(lái)，隨著大跨度橋梁建設(shè)的突飛猛進(jìn)，盡管取得了一些令世人矚目的成就，但是橋梁的風(fēng)害仍時(shí)有出現(xiàn)。因此，橋梁的風(fēng)害問(wèn)題必須引起橋梁工程師的足夠重視。

1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)

1.1 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)原則

在橋梁使用期限內(nèi)，對(duì)于可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載橋梁不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度變形破壞和靜力失穩(wěn)。橋梁發(fā)生顫振或馳振的臨界風(fēng)速必須大于橋位處橋梁所處高度上可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速（自激發(fā)散振動(dòng)的臨界風(fēng)速大于設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.2倍），以確保不會(huì)發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)破壞。由于抖振、雨振和禍激共振不會(huì)立刻引起橋梁的破壞，因而抗風(fēng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量不使其發(fā)生或使其振幅限制在允許范圍內(nèi)，并應(yīng)使振動(dòng)盡快停止，以防止結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、避免人感不適、確保行車(chē)安全。

1.2 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)流程

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

風(fēng)荷載的內(nèi)容包括橋址風(fēng)速資料的收集、風(fēng)觀測(cè)、確定設(shè)計(jì)風(fēng)速、設(shè)計(jì)風(fēng)荷載、橋位處風(fēng)的紊流強(qiáng)度、強(qiáng)風(fēng)的豎向傾斜角等特性參數(shù)。我國(guó)橋梁規(guī)范規(guī)定，以橋梁所在地區(qū)的平坦開(kāi)闊地面以上10m高度處、10min平均、100年重現(xiàn)期的年最大風(fēng)速作為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的參考風(fēng)速，稱(chēng)作基本風(fēng)速，并據(jù)此繪成全國(guó)基本風(fēng)壓公布圖。在此基礎(chǔ)上考慮橋位處的地形地貌特征、橋梁的高度、橋跨長(zhǎng)度和自然風(fēng)的特征（風(fēng)玫瑰團(tuán)）等因素，確定橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和自激振動(dòng)檢驗(yàn)風(fēng)速。有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括提出抗風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，作為確定橋梁結(jié)構(gòu)體系、各構(gòu)件的材料、形狀和尺寸等的參考。其中，最重要的是結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)性能考慮和結(jié)構(gòu)斷面形狀的氣動(dòng)選型。對(duì)于一般的大橋，初步設(shè)計(jì)階段的抗風(fēng)分析可采用近似的公式對(duì)方案的靜風(fēng)載內(nèi)力和氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行估算，待方案確定后并通過(guò)節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定各種參數(shù)、進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算和各類(lèi)風(fēng)振分析。

1.2.2 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗(yàn)階段

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能檢驗(yàn)包括靜力抗風(fēng)性能和動(dòng)力抗風(fēng)性能檢驗(yàn)兩部分。靜力抗風(fēng)檢驗(yàn)包括根據(jù)規(guī)范或通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)斷而的靜力氣動(dòng)力系數(shù)，算出作用在橋梁各個(gè)部分的靜力風(fēng)荷載，從而計(jì)算出靜力風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性（扭轉(zhuǎn)發(fā)散和橫向屈曲）。動(dòng)力抗風(fēng)檢驗(yàn)包括橋梁建成后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和施工架設(shè)過(guò)程的顫振特性、渦激共振特性、抖振特性檢驗(yàn)。采用風(fēng)洞試驗(yàn)或半試驗(yàn)半理論的方法給出橋梁的顫振臨界風(fēng)速、額振形態(tài)，渦激共振的發(fā)振風(fēng)速和振幅估計(jì)，抖振振幅及其產(chǎn)生的慣性力附加內(nèi)力。其中最重要的是要求橋梁的顫振臨界風(fēng)速必須高于橋位處橋梁設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速，并具有一定的安全度。當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果表明橋梁設(shè)計(jì)方案不能滿(mǎn)足抗風(fēng)要求時(shí)，則需要修改設(shè)計(jì)成采取其它振動(dòng)控制及減振措施。對(duì)于重要橋梁，宜在初步設(shè)計(jì)階段通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)選型，為確定主梁斷面提供依據(jù)。在技術(shù)沒(méi)計(jì)階段并對(duì)選定的斷面方案進(jìn)行詳細(xì)的抗風(fēng)驗(yàn)算和風(fēng)振分析，還應(yīng)通過(guò)全橋模型的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果子以確認(rèn)。

2 橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制

2.1 振動(dòng)控制的目的及意義

隨著近代橋梁區(qū)向著大跨度和高強(qiáng)輕質(zhì)的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼正在不斷下降。因此在風(fēng)、地震和行車(chē)荷載作用下的擺動(dòng)也在加大。作為這種總趨勢(shì)的必然結(jié)果，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，使得結(jié)構(gòu)剛度、舒適度和行車(chē)安全的要求越來(lái)越難以滿(mǎn)足，甚至?xí){到結(jié)構(gòu)的安全或者無(wú)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。作為橋梁抗風(fēng)研究的一個(gè)新興分支，就是針對(duì)經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或者抗風(fēng)驗(yàn)算不能滿(mǎn)足抗風(fēng)要求的設(shè)計(jì)方案，提出有效的抗風(fēng)措施或修改設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足抗風(fēng)要求。由于風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象有多種型式，因此在振動(dòng)控制上也應(yīng)該采取不同的對(duì)象。通過(guò)對(duì)橋梁采取振動(dòng)控制的目的包括以下三個(gè)方面：

a）對(duì)于顫振或馳振等自激型發(fā)散振動(dòng)、應(yīng)該絕對(duì)避免其發(fā)生，或者使其臨界風(fēng)速提高到高于橋梁在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)橋位處可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速；

b）對(duì)于渦激共振，有時(shí)是很難避免的，就應(yīng)該設(shè)法提高禍根發(fā)振風(fēng)速，并使其量減??；

c）對(duì)于抖振（陣風(fēng)響應(yīng)），則應(yīng)該盡可能地減小其振幅。

顯然對(duì)于橋梁振動(dòng)控制是對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力不穩(wěn)定性（自激振動(dòng)）等振動(dòng)現(xiàn)象加以控制，使其在規(guī)定的范圍內(nèi)工作，其規(guī)定范圍即控制條件（控制目標(biāo)值），可以是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移、速度、加速度，也可以是關(guān)鍵部位的內(nèi)力、裂縫寬度等，從而能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能（結(jié)構(gòu)不破壞、行車(chē)安全和人感舒適）。

2.2 控制振動(dòng)的措施

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)踐，筆者總結(jié)出對(duì)控制橋梁風(fēng)教振動(dòng)的措施可分為兩大類(lèi)：改善結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)特性的氣動(dòng)力學(xué)措施；改善結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)力學(xué)措施。氣動(dòng)力學(xué)措施就是改善結(jié)構(gòu)受風(fēng)力作用的狀態(tài)，選擇氣動(dòng)力穩(wěn)定性良好的橋梁斷面形狀，提高顫振臨界風(fēng)速。由于斷面形狀對(duì)風(fēng)的作用的變化非常敏感，采用這種方法?？墒盏绞掳牍Ρ兜男Ч５怯袝r(shí)雖然使顫振臨界風(fēng)速提高了，卻可能在低風(fēng)速下發(fā)生較大振幅的渦激共振。因此在選擇氣動(dòng)力性能良好的斷面形狀時(shí)，有時(shí)往往還要附加某種氣動(dòng)阻尼，達(dá)到抑制或減弱渦激共振的目的。由于采取這種措施的成本低、施工方便，又不影響原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故常受到橋梁設(shè)計(jì)師們的歡迎。還有一種改善氣動(dòng)力性能的方法，就是在橋面上下開(kāi)孔（格柵）、使其上下“透風(fēng)”，減小橋面上下的壓力差。加勁梁為衍架的懸索橋和斜拉橋的公路橋面上往往開(kāi)格柵。為了改善橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，可采用增加質(zhì)量、提高剛度和增加阻尼三種途徑。重量太輕的橋梁容易產(chǎn)生大振幅的風(fēng)致振動(dòng)（渦振和抖振），如1966年建成的塞文橋和1973年建成的博斯普魯斯一橋，經(jīng)常發(fā)生低風(fēng)速下的“咯吱咯吱”的振動(dòng)，而1988年建成的博斯普魯斯二橋（與一橋跨度接近的孿生姐妹橋）由于考慮了這種限定性振動(dòng)引起的疲勞而將箱梁的單位用鋼量增加了33%。當(dāng)時(shí)增加質(zhì)量會(huì)使恒載增大，使結(jié)構(gòu)的自扳頻率降低而容易引起振動(dòng)，所以這種措施需綜合考慮慎重采用。提高剛度的方法很多，如采用箱形主梁斜拉橋用A型和倒Y型塔的斜索面等，均可提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。增加陽(yáng)尼一般都采取機(jī)械裝置來(lái)增加氣動(dòng)阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。

從振動(dòng)控制方法上可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制（又稱(chēng)“雜交控制”）。半主動(dòng)控制、混合控制和主動(dòng)控制均需要外部能源，構(gòu)造和工作原理比較復(fù)雜，而且維護(hù)管理費(fèi)用較高。氣動(dòng)力的主動(dòng)控制型，如可動(dòng)風(fēng)嘴、射流邊分層控制、導(dǎo)流板輔助翼和折翼控制等必須與氣象觀測(cè)預(yù)報(bào)相配合，目前尚處在室內(nèi)研究階段。結(jié)構(gòu)力學(xué)的主動(dòng)控制型也很少采用，應(yīng)用于工程實(shí)際僅為日本明石海峽大橋主塔獨(dú)立狀態(tài)的施工階段的主動(dòng)控制和日本一座斜技橋在雙伸臂施工階段抑制抖振的AMD兩個(gè)例子。被動(dòng)型附加阻尼的機(jī)械裝置因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、維修容易而被廣泛應(yīng)用。這類(lèi)裝置基本由彈性元件、質(zhì)量元件、阻尼元件三部分組成。常用的阻尼器有沖擊阻尼器（ID）、鏈?zhǔn)阶枘崞鳎–ID）、擺式?jīng)_擊阻尼器（PID）、油阻尼器（OD）、粘性剪切阻尼器（VSD）、質(zhì)量調(diào)諧阻尼器（TMD）、液體調(diào)諧阻尼器（TLD），液住調(diào)諧阻尼器（TLCD）和多重調(diào)諧型阻尼器（MTMD、MTLD）等。應(yīng)用時(shí)都要針對(duì)具體的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)控制的目標(biāo)值進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，橋梁已經(jīng)成為我國(guó)重要的交通樞紐和經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈。在不斷擴(kuò)建和新開(kāi)發(fā)的橋梁項(xiàng)目中，應(yīng)充分考慮風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而不斷完善和提高橋梁的質(zhì)量。

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