現(xiàn)代橋梁的抗風(fēng)理論及其應(yīng)用

聶彥軍+譚超

摘 要：隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展與進(jìn)步，橋梁建設(shè)作為其中重要組成部分，發(fā)揮著不可替代的作用。隨著現(xiàn)代大跨度橋梁所占比例上升，風(fēng)荷載已經(jīng)成為橋梁設(shè)計(jì)中不可忽略的因素。確保橋梁建設(shè)的質(zhì)量要求，橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)必不可少。因此，研究現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論及其應(yīng)用是十分有用以及必要的。

關(guān)鍵詞：橋梁建設(shè)；抗風(fēng)理論；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.087

0 前言

橋梁應(yīng)能在各種自然災(zāi)害作用下保證交通的通暢。隨著現(xiàn)代橋梁的發(fā)展，風(fēng)作為一種發(fā)生頻率高的自然災(zāi)害，對(duì)橋梁產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。在這種情況下，保證橋梁的質(zhì)量和安全就必須提高現(xiàn)代橋梁的抗風(fēng)理論及應(yīng)用。

1 橋梁風(fēng)環(huán)境

1.1 強(qiáng)風(fēng)平均風(fēng)速剖面

橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須要考慮近地層強(qiáng)風(fēng)的作用。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)橋梁施工地點(diǎn)實(shí)際情況與施工高度的強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，采用的測(cè)量工具包括大氣風(fēng)廓線儀和超聲風(fēng)速儀。通過相應(yīng)的測(cè)量繪制強(qiáng)風(fēng)平均風(fēng)速剖面示意圖，然后在橋梁施工過程中較為合理的開展工作，從而增強(qiáng)橋梁的抗風(fēng)性能。

1.2 極值風(fēng)速風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)分析

橋梁建設(shè)過程中極值風(fēng)速風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)于橋梁的建設(shè)有很重要的作用。在我國實(shí)際工程中通常使用三種極值分布概率模型進(jìn)行分析。在不同的地點(diǎn)，極端風(fēng)速的分布在任一點(diǎn)各個(gè)方向上存在差異性。大部分橋梁工程結(jié)構(gòu)，特別是現(xiàn)代大跨橋梁結(jié)構(gòu)在空間不同方位的差異更加明顯。

1.3 近地風(fēng)的風(fēng)洞模擬

大氣邊界層近地風(fēng)的風(fēng)洞模擬在橋梁設(shè)計(jì)中是不可或缺的步驟，風(fēng)洞模擬按照有無控制部件可分為主動(dòng)模擬與被動(dòng)模擬兩種類型，其中被動(dòng)模擬主要是通過湍流邊界層進(jìn)行控制。而主動(dòng)模擬主要指可控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過以上兩種模擬方式的實(shí)施，我們能夠更好地進(jìn)行橋梁抗風(fēng)的合理設(shè)計(jì)。

2 橋梁抗風(fēng)研究方法

2.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究既是空氣動(dòng)力效應(yīng)研究的一個(gè)重要內(nèi)容，也是一個(gè)最重要的手段。Tacoma Narrows Bridge的風(fēng)毀事故之后，使橋梁工程師們開始認(rèn)識(shí)到風(fēng)不僅僅是靜力作用，從而開啟了全面研究大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)和氣動(dòng)彈性理論的序幕?？萍嫉倪M(jìn)步產(chǎn)生了多種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法，主要有全橋氣彈模型、拉條彈性模型、節(jié)段剛性模型。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的所有類型中，全橋氣動(dòng)彈性是我國最早在橋梁抗風(fēng)研究中應(yīng)用的模型。

2.2 數(shù)值模擬

對(duì)于二維橋梁斷面氣動(dòng)參數(shù)的數(shù)值風(fēng)洞識(shí)別，目前普遍應(yīng)用的方法是數(shù)值模擬。橋梁斷面附近區(qū)域存在著變化復(fù)雜的湍流，而湍流運(yùn)動(dòng)是一種隨機(jī)過程，這給數(shù)值模擬提出了很大的挑戰(zhàn)。我國現(xiàn)階段運(yùn)用的試驗(yàn)方法包括直接數(shù)值模擬、大渦模擬和雷諾時(shí)均模擬。同濟(jì)大學(xué)先后自主開發(fā)出FEM—FLUID和RVM—FLUID模擬軟件，后期又引進(jìn)了FLUENT商業(yè)軟件，作為上述兩種軟件的補(bǔ)充和驗(yàn)證。

2.3 理論分析

根據(jù)風(fēng)振形式的不同，橋梁風(fēng)振理論的分為顫振理論、抖振理論、馳振理論以及渦振理論。因?yàn)轳Y振和渦振出現(xiàn)概率較小，所以顫振和抖振作為現(xiàn)代橋梁的分析重點(diǎn)。對(duì)于顫振理論，隨著時(shí)間的推進(jìn)和科技的發(fā)展，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)到繁，由理論到實(shí)踐，由近似到精確的發(fā)展歷程。二維顫振理論分析方法廣泛應(yīng)用于橋梁工程。但是隨著橋梁跨度的增大，橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度急劇降低，造成了側(cè)彎與扭轉(zhuǎn)振型耦合。另外，由于結(jié)構(gòu)各階自振頻率相符度越來高，為了精確的分析橋梁顫振，研發(fā)高精度的三維橋梁顫振分析方法十分必要。

抖振是湍流繞鈍體結(jié)構(gòu)形成的，是一種不發(fā)散的強(qiáng)迫振動(dòng)?，F(xiàn)階段普遍的抖振理論包括Davenport 的抖振分析理論、Scanlan的顫抖振分析理論和Lin的時(shí)域抖振分析理論。通過理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)與橋跨的法向存在較大偏角，分析抖振響應(yīng)將出現(xiàn)較大誤差。因此，應(yīng)當(dāng)建立斜風(fēng)作用下的大跨橋梁抖振響應(yīng)的分析的精確方法。

3 橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力穩(wěn)定性與改善

21世紀(jì)開始，在橋梁領(lǐng)域建成了一批跨徑大、技術(shù)含量高的現(xiàn)代橋梁。要確保這些大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量，進(jìn)行橋梁的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)是必不可少的。因此，大跨橋梁進(jìn)行建設(shè)前期，應(yīng)按照現(xiàn)代橋梁穩(wěn)定性要求，運(yùn)用抗風(fēng)理論對(duì)橋梁的抗風(fēng)能力和建設(shè)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，從而對(duì)橋梁的建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行保證。

3.2 靜風(fēng)等效荷載計(jì)算

在橋梁抗風(fēng)理論設(shè)計(jì)運(yùn)用的過程中，靜風(fēng)等效荷載的計(jì)算與設(shè)計(jì)是其中重要的組成部分，需要考慮風(fēng)的特性和橋梁的結(jié)構(gòu)特性兩者之間的相互作用。Davenport研究理論使風(fēng)荷載計(jì)算更為精確，同時(shí)也提出了陣風(fēng)荷載系數(shù)與陣風(fēng)的具體效益系數(shù)的觀點(diǎn)，從而使等效風(fēng)的荷載情況通過計(jì)算模型延伸到更大的領(lǐng)域。根據(jù)現(xiàn)代橋梁的空間結(jié)構(gòu)，可以研究橋梁的靜態(tài)風(fēng)力等效情況，并根據(jù)風(fēng)速在同一時(shí)間段內(nèi)設(shè)計(jì)長(zhǎng)跨度橋梁的靜態(tài)風(fēng)力替代方案。在制定完成多種等效風(fēng)測(cè)算方案后，應(yīng)通過線性連接方式設(shè)計(jì)靜態(tài)風(fēng)替換方案，使靜風(fēng)等效荷載方法正確使用。

4 結(jié)論

中國橋梁建設(shè)自20世紀(jì)80年代的起步發(fā)展，經(jīng)過20世紀(jì)90年代的學(xué)習(xí)與提高，到了21世紀(jì)，在前兩個(gè)時(shí)期的發(fā)展積累下，不斷自主創(chuàng)新提高橋梁建設(shè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在橋梁的抗風(fēng)理論與應(yīng)用方面取得了很大的發(fā)展，但依然存在著一些薄弱環(huán)節(jié)。因此，我國的橋梁抗風(fēng)理論的研究應(yīng)該更加深入。通過不斷完善理論方法促進(jìn)橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]項(xiàng)海帆，葛耀君.大跨度橋梁抗風(fēng)技術(shù)挑戰(zhàn)與基礎(chǔ)研究[J].中國工程科學(xué)，2010，35（06）：77-78.

[2]卞乘偉，王偉.淺析橋梁抗風(fēng)理論兩次躍遷中的辯證法——從懸索橋風(fēng)毀失敗到斜拉橋抗風(fēng)的成功[J].科技資訊，2010，30（01）：83-84.