橋梁風工程2019年度研究進展

廖海黎，李明水，馬存明，王騎，孫延國，周強

(西南交通大學 a.土木工程學院；b.風工程四川省重點實驗室，成都 610044)

近年來，中國大跨度橋梁的建設成就舉世矚目。在中國邁向世界橋梁強國的進程中，橋梁風工程研究為大跨度橋梁設計提供了關鍵技術支撐。中國橋梁風工程科研工作者與橋梁設計工程師合作，解決了數(shù)百座大跨度橋梁的抗風設計問題。伴隨大跨度橋梁的發(fā)展，中國在橋梁抗風基礎理論研究及工程實踐能力方面取得了長足進步，已居于世界前列。

作為一門具有交叉學科性質(zhì)的技術門類，橋梁風工程涉及氣象學、結構動力學、空氣動力學、流固耦合力學、風洞試驗技術等多門學科，為橋梁抗風設計提供了理論基礎、方法及手段。橋梁風工程研究的主要問題是橋梁結構和構件的風致振動及其控制。筆者圍繞大跨度橋梁抗風設計中的主要問題——橋位風特性現(xiàn)場實測、橋梁非線性顫振特性及計算理論、橋梁抖振計算理論和橋梁渦激振動計算理論及控制，介紹了2019年以來主要的研究進展。

1 橋位風特性現(xiàn)場實測研究

風特性是橋梁抗風設計的基礎資料，對橋梁設計方案的成立及橋梁造價，對橋梁抗風安全性、行車安全性和舒適性等影響巨大。風特性研究的首要手段是現(xiàn)場實測，其次是風洞試驗物理模擬和CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬。迄今為止，抗風設計中有關風特性的“成熟知識”多是依據(jù)良態(tài)氣候的大陸季風實測得來。對于控制沿海橋梁及海洋橋梁抗風設計的臺風，由于很難開展系統(tǒng)性實測，至今對其特性的掌握還遠不夠。山區(qū)橋位的風特性受復雜多變的氣象、地理因素影響，遠比平原風特性復雜，迄今對其認識也很有限，這給山區(qū)橋梁抗風設計造成了很大困擾。龍卷風、下?lián)舯┝鞯忍禺愶L方面，也很缺乏針對橋梁設計需要的風特性研究。

1.1 臺風風特性實測

在臺風風場實測方面，Zhao等[1-2]分別基于多普勒激光雷達的實測數(shù)據(jù)和西堠門大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得的系列臺風記錄數(shù)據(jù)，對臺風外圍風場的平均風剖面演變特性和脈動風場特性進行了分析，如圖1所示。對于平均風剖面，研究發(fā)現(xiàn)，臺風外圍除了存在常見指數(shù)律的風剖面，在遠場還存在S形和反C形兩種風剖面形態(tài)；對于脈動風場特性，研究發(fā)現(xiàn)，臺風外圍風場的脈動風特性中的偏度可忽略不計，非高斯特性也不顯著，即與良態(tài)氣候強風類似，符合高斯分布，且3個方向上脈動風速功率譜與Von Kármán譜較為吻合。Kim等[3]也通過現(xiàn)場實測研究了臺風的風譜特性。Tao等[4]對蘇通長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得的臺風數(shù)據(jù)進行了頻譜分析，建立了考慮高頻子區(qū)的改進功率譜密度模型。張傳雄等[5]對臺風“瑪莉亞”風場進行現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)其風速剖面與指數(shù)律模型接近，但邊界層高度平均值為1 421 m，比規(guī)范建議值及實測良態(tài)風均值要大。方根深等[6]結合臺風在中國沿海登陸過程中風場參數(shù)實測數(shù)據(jù)，提出了適用于中國東南沿海區(qū)域的考慮多個場參數(shù)之間相關性的臺風風場改進數(shù)值模型，給出了4類典型地貌下臺風氣候風剖面擬合關系。需要指出的是，目前，現(xiàn)場實測得到的大多為臺風外圍風場數(shù)據(jù)，且大多認為其風場特性與良態(tài)風特性較為吻合，但由于臺風中心風速難以捕捉、測量，有關臺風中心附近的風場特性還有待進一步深入研究。

圖1 文獻[1-2]現(xiàn)場實測得到的臺風特征Fig.1 Profiles and spectra of typhoon

1.2 山區(qū)峽谷風特性實測

在山區(qū)大跨橋梁橋位的風場實測方面，2019年學者們開展了較多研究，取得了一批新成果。Liao等[7-8]采用多普勒激光測風雷達測量了某山區(qū)峽谷地形下豎直平面內(nèi)不同高度處的風速時程序列，獲取了山區(qū)平均風速、紊流強度、紊流積分尺度、風速空間相關性和紊流風速譜隨高度的變化特征(圖2(a)、(b))，發(fā)現(xiàn)大風情況下平均風速的風向與山谷走向基本一致，紊流強度無論是沿豎向的分布特征還是3個方向分量的比值，均與平原和沿海地區(qū)存在較大差別，且相較于Simiu譜和Panofsky譜，Von Kármán譜更適合描述山區(qū)的脈動風場。Yu等[9]在瀘定大渡河大橋的貓道上沿縱向布置了5套風速傳感器，分別采用平穩(wěn)和非平穩(wěn)風速模型對比分析了脈動風場特性，表明局部地形對山區(qū)平均風和紊流風特性的影響都很大，山區(qū)風非平穩(wěn)性質(zhì)極為突出(圖2(c))，還發(fā)現(xiàn)山區(qū)風3個方向上的脈動風速功率譜密度函數(shù)更符合Von Kármán譜。張志田等[10]同樣在深切峽谷橋位處風場實測中發(fā)現(xiàn)，Von Kármán譜用于描述山區(qū)脈動風場特性的吻合程度更好，且深切峽谷對風向有比較強的鎖定作用。郭增偉等[11]分析了三峽庫區(qū)峽谷風場的非平穩(wěn)性，發(fā)現(xiàn)相比沿海地區(qū)，山區(qū)風在幅值和頻率方面均表現(xiàn)出更強的非平穩(wěn)特性。綜合近年來的實測研究成果，學者們在山區(qū)風場特性研究上取得了一些共識：1)地形是影響山區(qū)橋位風場的最主要因素，峽谷走向?qū)砹黠L向的鎖定作用明顯；2)山區(qū)風場紊流強度與規(guī)范值存在較大差別，因此，更宜根據(jù)現(xiàn)場實測值確定抗風設計參數(shù)；3)Von Kármán譜更合適表述山區(qū)風場3個方向上的脈動特性；4)相較于沿海和平原地區(qū)，山區(qū)風場的非平穩(wěn)特性更顯著。

圖2 山區(qū)現(xiàn)場實測脈動風速特征[7]Fig.2 The characteristics of turbulence over mountainous area[7]

2 大跨度橋梁非線性顫振研究

顫振作為大跨度纜索承重橋梁抗風設計的首要因素，一直是橋梁風工程研究的熱點。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的橋梁顫振線性分析理論已日臻成熟。對于大跨度橋梁的“硬顫振”，當考慮平均風荷載引起附加攻角等非線性效應后，線性理論能夠給出與全橋氣彈模型風洞試驗精度相當?shù)念A測。隨著超大跨度橋梁的發(fā)展，由于全橋氣彈模型的縮尺比越來越小，抗風設計將更加倚重于高精度的三維顫振分析[12-13]。對于大跨度橋梁的“軟顫振”，由于不存在明顯的顫振臨界狀態(tài)和具有顯著的氣動力非線性，正如陳政清[14]指出，基于特征值分析的線性顫振分析理論無法描述這種軟顫振特性。因此，近年來橋梁非線性顫振及其計算理論成為研究的新熱點。

總的來說，大跨度橋梁的非線性顫振研究主要圍繞顫振后現(xiàn)象(軟顫振)特性和極限環(huán)(軟顫振振幅)求解兩個方面。對于現(xiàn)象研究，很多學者都通過風洞試驗測試并記錄下了橋梁斷面發(fā)生軟顫振時的穩(wěn)定振動現(xiàn)象(極限環(huán))，研究結論具備共同特征：顫振后的穩(wěn)定振動也是彎扭耦合形式，并受到橋梁氣動外形、風攻角和結構阻尼的顯著影響，目前，大跨度橋梁廣泛采用的4種典型主梁(П型梁、流線型箱梁、分體箱梁和桁架梁)均可能發(fā)生軟顫振。2019年以來的主要研究成果如下：唐煜等[15]研究了П型梁的顫振后特性，指出該類型斷面的軟顫振受風攻角和結構阻尼的影響顯著，彎扭耦合振動特征明顯；高廣中等[16]的研究表明，扁平箱梁軟顫振的彎扭耦合特征明顯，且當振幅較大時，自激力中含有明顯的高次諧波分量；伍波等[17]研究了扁平箱梁的耦合軟顫振特性，獲得了隨振幅變化的非線性顫振導數(shù)，解釋了典型軟顫振現(xiàn)象的動力學機理；朱青等[18]研究了閉口箱梁在大風攻角下的軟顫振特性，并基于半經(jīng)驗非線性氣動力模型提出了軟顫振起振風速的判定方法；Zhou等[19]基于非線性氣動力模型計算了分體式箱梁的顫振性能，發(fā)現(xiàn)增設中央穩(wěn)定板后硬顫振轉(zhuǎn)變?yōu)榱塑涱澱瘢晃椴ǖ萚20]研究了雙層桁架梁彎扭耦合軟顫振特性，解釋了其發(fā)生、發(fā)展的動力學機理。

對于計算方法，目前分為兩類：1)計入自激氣動力高次諧波分量隨振幅變化的非線性計算方法；2)僅計入線性諧波分量隨振幅變化的線性計算方法。對于第一類非線性顫振計算，主要源于研究者在自激氣動力中發(fā)現(xiàn)的高次諧波分量，并將其計入到計算中。代表學者是高廣中等[21-23]、許福友等[24]，其共同點是：通過風洞試驗或數(shù)值模擬觀察到了橋梁斷面顯著的氣動力高次諧波分量，根據(jù)氣動力的高次諧波分量占比以及氣動力是否做功進行取舍，在泰勒展開模型的基礎上，構建了只包含1次和3次諧波參數(shù)項的氣動扭矩模型，然后運用非線性動力學方法或能量平衡法對單自由度扭轉(zhuǎn)顫振極限環(huán)(扭轉(zhuǎn)軟顫振穩(wěn)定振幅)進行求解，代表性的研究結果如圖3[21]和圖4[24]所示。

圖3 風洞試驗獲得的扁平箱梁斷面軟顫振時力矩的高次諧波分量[21]Fig.3 Amplitude spectra Wind-induced forces on a box girder by wind tunnel test[21]

圖4 數(shù)值計算獲得的扁平箱梁斷面軟顫振時升力和力矩的高次諧波分量[24]Fig.4 Amplitude spectra Wind-induced forces on a box girder by numerical simulation[24]

對于第二類非線性顫振計算，源于研究者在中等振幅條件下(扭轉(zhuǎn)振幅小于10°)并沒有在氣動力中發(fā)現(xiàn)明顯的高次諧波分量[25]，而僅發(fā)現(xiàn)了線性分量(顫振導數(shù))隨振幅的非線性變化，繼而沿用線性顫振的閉合解理論，提出了耦合軟顫振的計算方法，代表性的工作見文獻[26-27]。目前，該方法已通過風洞試驗進行了驗證(如圖5所示)，并從二維拓展到了三維，從而為大跨度橋梁多模態(tài)耦合軟顫振的計算提供了一種有效手段。

廖海黎等[28]對近20年來大跨度橋梁顫振研究進展進行了綜述，重點介紹了非線性自激氣動力和非線性顫振的研究成果，提出了發(fā)展多模態(tài)耦合軟顫振分析理論的必要性，并指出需要科學制定“軟顫振”的設計評價準則。葛耀君等[29]率先將結構強健性的理念引入到橋梁抗風設計方法與顫振評價中，指出強健性包含強度、剛度和穩(wěn)定性3個方面，并建議采用等效中心點法來計算顫振強健性的可靠性指標、失效概率和重現(xiàn)時間。強健性評價方法目前雖然采用了硬顫振的臨界風速作為參考，但無疑具有更大拓展空間，通過引入表征結構強度安全參數(shù)和軟顫振失穩(wěn)風險指標，可望發(fā)展形成橋梁軟顫振安全評價方法和準則。

圖5 軟顫振振幅的計算值與風洞試驗對比[27]Fig.5 Comparison of soft flutter amplitudes using wind tunnel test and numerical simulation[27]

3 橋梁抖振計算理論研究

由于脈動風作用引起的抖振是構成橋梁結構動力風荷載和隨機響應的主要因素，是抗風設計中進行結構安全性和行車舒適性評價的重要依據(jù)。為了提高抖振計算精度，一些學者一直著力于構建和完善更為精確的抖振力模型和計算方法。近年來，關于大跨度橋梁抖振方面的進展主要集中在以下3個方面：一是橋梁主梁抖振氣動力研究；二是大跨度橋梁抖振響應分析方法；三是非平穩(wěn)風作用下的橋梁抖振響應研究。

在抖振氣動力方面，張志田等[30]基于Küssner函數(shù)對抖振力和氣動導納在時域內(nèi)進行模擬，并比較了不同氣動導納函數(shù)對橋梁抖振響應的影響，研究發(fā)現(xiàn)，基于Sears函數(shù)計算的抖振響應明顯高于試驗值。Li等[31-32]基于三維抖振理論，探明了控制紊流三維效應強弱的關鍵參數(shù)，并給出了抖振力展向相干函數(shù)的一般形式。通過引入氣動導納修正項經(jīng)驗模型，在紊流場中直接識別了典型橋梁斷面的二維氣動導納(圖6)，為抖振力精細化分析提供了重要依據(jù)[33]。Ma等[34-35]根據(jù)風洞測壓試驗結果，建立了流線型箱梁的三維氣動導納經(jīng)驗模型，該模型充分考慮了湍流的三維效應，并與現(xiàn)場實測的氣動導納進行了對比分析。以上研究均針對靜止的橋梁斷面，而實際橋梁處于振動狀態(tài)，為此，Yan等[36]提出了一種將氣動力分離為自激力和抖振力，然后根據(jù)提取的抖振力來計算氣動導納的試驗方法，并通過該方法對處于自由振動狀態(tài)下的流線型箱梁的氣動導納進行了識別。結果顯示，氣動導納與橋梁主梁振動狀態(tài)有關，因此，有必要考慮實際橋梁振動對氣動導納的影響。另外，Cheynet等[37]在現(xiàn)場實測橋梁流場畸變的基礎上，研究了抖振力、氣動導納模型以及片條假設的有效性。在數(shù)值方法上，Kavrakov等[38]提出了一種基于二維渦粒子法的計算流體力學(CFD)方法來識別六分量復氣動導納(圖7)，并與試驗結果進行比較，驗證了該方法的可行性。與上述試驗方法相比，該方法可以很好地控制不同方向脈動分量對氣動導納的影響，并從微觀層面上解釋了相關氣動機理。此外，通過該方法還可以進一步檢驗氣動力的可疊加性以及研究紊流度對氣動導納的影響。

圖6 典型橋梁斷面的二維氣動導納[33]Fig.6 Two-dimensional aerodynamic admittance of a typical bridge section[33]

圖7 橋梁斷面周圍瞬時速度場[38]Fig.7 The instantaneous velocity field around the bridge section[38]

在抖振響應分析方法方面，Xu等[39]指出抖振應力分析是評估強風區(qū)大跨度橋梁局部破壞和疲勞損傷的重要手段，并基于風振壓力正交分解和子結構有限元模型，建立了用于大跨度箱梁橋抖振應力分析的研究框架，并通過與現(xiàn)場相比較驗證了該方法的可靠性(圖8)。蘇益等[40]提出了不依賴于湍流場特性的綜合傳遞函數(shù)，該函數(shù)包含了氣動導納和機械導納的影響，可以成功預測不同風場環(huán)境下大跨度橋梁的抖振響應?；赗ibner三維氣動力理論，Li等[41]建立了考慮紊流三維效應的大跨度橋梁抖振頻域分析方法，通過研究紊流三維效應對抖振響應的影響(圖9)，明確了傳統(tǒng)抖振分析理論的適用條件，從而使抖振分析理論更加完善。董銳等[42]提出了大跨度橋梁多目標等效靜力風荷載基向量法，研究表明，該方法獲得的多目標等效靜力風荷載在抖振響應計算精度和荷載分布的合理性方面均表現(xiàn)良好。

圖8 跨中主梁斷面抖振應力[39]Fig.8 Buffeting stress of the deck at mid-span[39]

近年來，非平穩(wěn)風作用下橋梁的抖振響應問題受到研究者的重視。陶天友等[43]以蘇通大橋為工程背景，針對臺風非平穩(wěn)性顯著的特征，開展了大跨度橋梁非平穩(wěn)抖振時域模擬與分析。蘇延文等[44]針對山區(qū)橋梁，考察了強弱非平穩(wěn)風速對大跨橋梁抖振響應的影響，如10所示，結果表明，對于非平穩(wěn)指標較強的實測風速樣本，需要進行精細化的非平穩(wěn)瞬態(tài)響應分析。

圖10 強非平穩(wěn)風作用下主梁的側(cè)向抖振響應[44]Fig.10 Lateral buffeting response of main girder within strong non-stationary wind[44]

4 渦激振動計算理論與控制技術研究

渦激振動作為在橋梁主梁、吊桿、拉索等構件上頻繁發(fā)生的限幅振動，可能會對橋梁行車舒適性和構件疲勞壽命造成危害。改善渦振振幅的預測精度是渦振計算理論研究的主要目的，開發(fā)經(jīng)濟有效的渦振控制技術是橋梁抗風設計的實際需求。

為探明主梁渦振致振機理及其影響因素，胡傳新等[52]采用不同尺度的流線閉口箱梁模型，研究了渦激氣動力的雷諾數(shù)效應，結果表明，不同雷諾數(shù)下渦振響應和渦激力分布均明顯不同：雷諾數(shù)大，渦振響應也大，但渦振起振風速反而降低。Sun等[53]研究了矩形、梯形和流線型箱梁斷面的渦激力特性及其跨向相關性，指出不同斷面形狀的渦振致振機理不同，渦激力的跨向相關性強弱由自激力(SEF)和渦脫力(VIF)的占比確定。Ma等[54]在方形斷面橋塔氣彈模型試驗中發(fā)現(xiàn)不同模態(tài)之間渦振與馳振的耦合振動現(xiàn)象，且該種振動形式與二維范疇內(nèi)的耦合振動有明顯區(qū)別。Li等[55]通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，實際橋梁的渦激振動具有時變特性，并提出了一種識別時變氣動力的算法，用以從實測數(shù)據(jù)中捕捉渦振現(xiàn)象。Xu等[56]基于現(xiàn)場實測大數(shù)據(jù)分析，提出了大跨度橋梁渦激振動識別方法，建立了渦激振動預測模型。另外，一些學者還開展了主梁構造細節(jié)[57-58]和雙幅箱梁[59]間距對渦激振動性能的影響研究。

Li等[60]通過風洞試驗研究了表面光滑的平行鋼絲股索(PWS)和粗糙的鋼絲繩股索(WR)懸索橋吊桿的氣動干擾和尾流渦振問題，研究表明，平行鋼絲股索的空間不穩(wěn)定區(qū)域較鋼絲繩股索多，下風向鋼絲繩股索的振幅一直隨著風速的增加而增加，而平行鋼絲股索的振幅會趨于平穩(wěn)或減小。趙燕等[61]利用大渦模擬法研究了懸索橋雙吊索的氣動干擾和尾流渦激振動問題。祝志文等[62]基于現(xiàn)場實測，針對斜拉索模態(tài)密集的特點，利用解析模態(tài)分解法研究了斜拉索渦激振動的時頻域特性。

渦振控制的目的是對橋梁主梁或吊桿、斜拉索等細長構件的渦振進行抑制，工程上常見的控制措施有氣動措施和機械措施兩類。趙林等[63]針對大跨度橋梁中常見的4種主梁形式(雙邊主梁、整體式箱梁、分體式箱梁以及桁架梁)，梳理和歸納了常用的各類渦振氣動控制措施。Hu等[64]和張?zhí)煲淼萚65]分別研究了各種附加氣動措施(擾流板、導流板、風嘴、穩(wěn)定板、導流板、裙板)對箱梁和雙箱型邊主梁渦激振動的抑振原理和效果。華旭剛等[66]指出大跨度懸索橋存在多階模態(tài)渦激振動問題，提出可采用電渦流阻尼器對漂浮體系懸索橋進行半主動控制。Chen等[67]提出了一種新的渦振控制思路，即在主梁斷面布設被動吸/吹氣孔道，擾亂渦振發(fā)生時的流場分布和旋渦形成，從而實現(xiàn)對主梁渦振的抑制(圖11)?；谕瑯拥乃悸?，在斜拉索上安裝被動自吸/吹氣控制套環(huán)來抑制其渦激振動[68]。Zhang等[69]基于數(shù)值模擬提出利用被動式漩渦發(fā)生裝置來抑制渦振，研究發(fā)現(xiàn)，在梁底間隔安裝旋渦發(fā)生裝置后，原斷面規(guī)律性的旋渦脫落被擾亂，旋渦的強度和展向相關性都被削弱，從而使渦振振幅得以降低(圖12)。

圖11 被動吸/吹裝置示意圖Fig.11 Layout chart of slits and conditions

圖12 主梁旋渦發(fā)生裝置示意圖Fig.12 Arrangement of vortex generators

傳統(tǒng)的TMD尺寸較大，難以布置在流線型箱梁內(nèi)部實現(xiàn)對渦激振動的控制。針對這一局限，Xu等[70]提出使用尺寸較小的慣容器來抑制渦激振動，理論分析表明，慣容器的引入使TMD最優(yōu)頻率遠高于結構特征頻率，從而顯著降低了TMD彈簧靜變形，使其能夠安裝到流線型扁平箱梁內(nèi)部，實現(xiàn)對大跨橋梁渦振的有效控制(圖13)。另外，Liu等[71]還研究了粘彈性阻尼器對斜拉索渦激振動的抑振效果。

圖13 TMDI系統(tǒng)渦振控制示意圖Fig.13 Single-degree-of-freedom primary structure incorporating with a TMDI system

正如葛耀君等[72]指出的那樣：未來的渦振研究在圍繞新型觀測設備和試驗技術、高精度氣動力降階模擬和人工智能手段、主動氣動控制措施和新型被動機械措施等方面有較大的深入研究的空間。

5 結論

橋梁風工程對山區(qū)風、臺風和特異風等風場特性的認識還遠未成熟，需要研究者們通過長期、大量的現(xiàn)場實測，在掌握第一手資料的基礎上獲得對風特性的深入認識，為改進橋梁抗風設計理論提供更為可靠的依據(jù)。超大跨度橋梁和海洋橋梁的發(fā)展要求抗風設計理論不斷創(chuàng)新，非線性和紊流對橋梁風致響應的影響越來越不容忽視，傳統(tǒng)的偏于保守的某些設計準則也需要改進；還需要發(fā)展更為經(jīng)濟有效的風振控制技術、開發(fā)更為優(yōu)良的橋梁氣動外形及結構形式，以適應超大跨度橋梁的發(fā)展。人工智能、大數(shù)據(jù)等新科技手段，有望成為解決橋梁風工程復雜問題的有效途徑。