中国桥梁结构抗风研究进展

中国桥梁结构抗风研究进展 摘要： 随着科学技术的发展，随着桥梁设计和施工水平的不断提高，桥梁的跨度也在不断增加，现代桥梁的跨度纪录不断被刷新。进入21世纪后，桥梁跨度将突破2000米，甚至可能达到5000米。而在桥梁跨度增加的同时，结构免不了采取措施减轻自重，也使得桥梁结构对于风的作用更加敏感，风也成为了桥梁设计中不可避免的问题，因此桥梁结构的抗风研究也愈来愈被人们重视。本文将对中国桥梁结构抗风研究的现状与进展做出简要概述。

1.引言 21世纪中国的桥梁工程取得了巨大的成就。2008年6月30日，世界第一大跨径斜拉桥——苏通长江大桥正式通车；2008年5月1日，世界第一跨海大桥——杭州湾大桥正式通车；2003年6月28日，世界第一钢拱桥——上海卢浦大桥正式通车；2007年10月29日，世界第一座公路轻轨两用桥——重庆菜园坝长江大桥正式通车；2003年8月29日，世界上最大的跨径V撑梁式大桥——广州琶洲大桥正式通车……而不论是世界第一大跨径的斜拉桥亦或是世界第一跨海大桥，风力作用都是一个很严峻的问题，也是不可不考虑的因素，这就对我国的桥梁抗风研究有了很大的要求，而为了建成更长的桥、更稳固的桥，也要求桥梁的抗风研究取得更大的进展。

2.中国桥梁结构抗风研究进展 2.1概述 风对桥梁结构的作用机理十分复杂,是一种时间、空间变化的作用。它受到风的特性、结构的动力特性和风与结构的相互作用三方面的制约。 2.2静力作用对桥梁的影响 如结构刚度较大因而几乎不振动,或结构虽有轻微振动。但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态,因而不影响气流对桥梁的作用力,则风对桥梁的作用可近似地看作为一种静力荷载。 桥梁在风的静力作用下有可能发生强度、刚度和稳定性问题。对于强度和刚度问题,如现行桥规中所规定的那样,主要需考虑桥梁在侧 向风载作用下的应力和变形。另外，对于静升力较大的情况,也需要考虑竖向升力对结构的作用。对于柔性较大的特大跨度桥梁，则还需要考虑侧向风荷载作用 下王梁整体的横向屈曲,其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题及在静力扭转力矩作用下主梁扭转引起的附加转角所产生的气动力距增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳问题。 2.3动力作用对桥梁的影响 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，除需考虑静风荷载的作用外,更主要的需考虑风对结构的动力作用，即风致振动。大跨度桥梁的风 致振动可分为两大类:一是在一定临界风速下结构振动振幅急聚增大因而结构所 承受的荷载效应急聚增大而会导致结构毁坏的发散振动,如颇振和驰振;二是振幅有限但因经常出现而可能导致结构疲劳损伤或影响结构的正常使用,以及引起过桥者不适或不安的限幅振动,如涡激振和抖振。 2.4抗风的设计要求 结构抗风设计要求可以归结为风振安全可靠性、风振舒适可靠性、风振疲劳可靠 性和风振稳定可靠性。对于桥梁结构而言,桥梁各主要组成部分受力上的特殊性,主要一般需要进行全部四项可靠性分析,拉索需要分析风振可靠性和风振稳定性,桥塔需要进行风振安全可靠性和风振疲劳可靠性。桥梁抗风除注重安全性外还注重耐久性和舒适性。研究亦要考虑到设计要求。 2.5桥梁抗风的研究 在过去相当长的时间内,人们把风对结构的作用仅仅看成是一种由定常风所引起的静力作用,1940年秋,美国华盛顿州建成才4个月的塔科马悬索桥在不到20m/s的8级大风作用下发生强烈的风致振动——反对称扭转振动，而导致桥面折断和桥梁坍塌,这才开始了以风致振动为重点的桥梁抗风研究。定常风的静力作用下,人们主要关心桥梁结构强度和稳定性问题；在不定常风的动力作用下，问题则要复杂得多。因风致振动的桥梁反过来又可能改变气流流场和气动力,必须考虑风与结构的相互作用。当气动力受结构振动影响较小时,它作为一种强迫力将导致桥梁结构的强迫振动——随机抖振；当气动力受结构振动影响较大时,它表现为自激力作用,导致桥梁结构的自激振动——单纯扭转模态或弯曲和扭转祸合模态的桥梁颤振、顺风向或横风向弯曲模态的桥梁驰振以及气流流经桥梁断面产生的涡旋所激发的桥梁涡振。 2.5.1桥梁风环境 桥梁结构的离地高度一般不超过300m,这一范围内的近地风主要受大气边界层内空气流动的影响,其流动的速度和方向具有随时空随机变化的特征。在研究风对桥梁结构的作用时,通常把近地风分解为平均和脉动风速,并且要着重研究对结构设计和受力分析起控制作用的强风,主要包括:平均风剖面或风廓线。平均风随时间的变化规律——期望风速和重现期，脉动风的特性是湍流强度、湍流积分尺度、功率谱密度等，并在此基础上发展和完善上述风环境特性的风洞模拟试验技术。 1）强风平均风速剖面特性 桥梁抗风设计主要关心近地层强风的作用,除了极值风速之外,强风结构特性至关重要。所以采用大气风廓线仪和超声风速仪对强风进行了跟踪测量.大气风廓线仪是一种垂直指向的晴空多普勒雷达,这种技术以及与其组合使用的无线电探测系统代表了大气探测领域里的先进水平。 2）极值风速风向统计分析 在桥梁结构的抗风设计中,采用风速分布概率模型,统计推断最终要确定的也是重现期内的(最大)期望风速.在实际应用中3种极值分布概率模型得到了广泛的应用。此外任何地点的极端风速沿各个方向分布一般都是不均匀的,大多数工程结构,特别是大跨度桥梁结构在空间各个方位上的尺度也具有显著差异，结合极值I型分布概率模型提出了风速风向双参数联合概率分布模型。 3）强风湍流特性观测分析 桥梁抗风研究还关心与脉动风相关的湍流强度、湍流功率谱密度函数和湍流积分尺度等特性.以往气象部门进行的近地层湍流特性研究,主要是针对非台风气候模式风环境,对于台风等剧烈大气及复杂下场地情形的观测研究极少。从1999年起,在上海、广东、福建、江苏、浙江、湖北、贵州等沿海和内陆地区进行了较为系统的以台风和强冷空气为主的湍流特性观测与分析.观测结果表明台风具有比良态气候大风更强烈的湍流作用,其湍流强度和湍流积分尺度值明显偏大,功率谱密度函数在高频区(惯性子区)湍能增强。 2.5.2桥梁抗风研究方法 1）风洞实验 在塔科马桥事故之后，各国便纷纷开展了大跨度桥梁的抗风实验，渐渐形成了较为完善的风洞实验，风洞实验的种类有很多，主要包括全桥气弹模型、节段刚性模型、拉条弹性模型三种。 在我国的桥梁抗风研究中，全桥气弹模型风洞实验室最早实现的，在发展的二十多年期间，这种风洞实验方式先后完成了包括上海卢浦大桥、苏通长江大桥、舟山西猴门大桥等著名大桥在内的四十余座桥梁的风洞实验。 大气边界层近地风的风洞模拟技术按照有无控制部件可分为被动模拟和主动模拟两大类。被动模拟主要利用格栅、尖劈和粗糙元等装置形成一定厚度的揣流边界层,模拟装置不需要能量输入；主动模拟则包括可控制运动机构,例如振动翼栅、变频调速风扇阵列等。 目前国内外大都采用尖劈和粗糙元被动模拟方法,并且已经能够较好地模拟风速剖面、湍流强度、功率谱密度等主要参数,但是对湍流积分尺度和湍流空间相关性的模拟还有缺陷。为此提出了将被动模拟方法中的固定尖劈改为主动振动的尖劈,借助振动尖劈注入的低频湍能增大其湍流积分尺度和削弱湍流空间相关性，并且通过对被动模拟参数的适当调整来保证不降低其他参数的模拟精度。

2）数值模拟 在二维桥梁断面启动参数数值的风洞识别中主要应用数值模拟的方法。 在桥梁断面附近的大部分都为非常复杂的湍流，这些不同的漩涡给数值模拟增加了难度，当前主要采用的数值模拟方法包括直接数值模拟、雷诺时均模拟、大涡模拟等。 同济大学在自主开发了基于半直接数据模拟的有限元法软件之后又开发了随机离散涡法软件。为了对已经开发的这两种软件进行验证，同时也是作为一种补充，同济大学引进了商业软件作为对上述两种软件做了补充和验证。 3）理论分析 桥梁的风振理论由于风振的形式不同而被分为颤振理论、驰振理论和涡振理论$抖振理论，其中颤振与抖振较为常见，因此重点对颤振理论和抖振理论进行分析。 ①颤振理论 颤振理论经过不断地发展，已经从简单、理论、解析方法、模态叠加的近似方法发展成为了复杂、实验、数值方法、全模态参与的精确方法。二维颤振分析是颤振理论中最为实用、最为简单的一种。随着桥梁跨度的不断增大，结构的刚度尤其是侧向刚度不断下降，使侧弯与扭转型耦合，此外还会导致结构中各阶的自振频率的差异变小，因此，二维桥梁颤振方法已经不能够满足桥梁颤振分析的精度要求了，要开发具有更高精度的三维桥梁颤振分析方法。 ②抖振理论 在桥梁风致振动中，抖振是其中重要的一种，是由于自然风中的湍流绕过钝体结构而形成的，属于一种随机的强迫振动。目前,由Dveanpor七提出的抖振分析是在世界范围内普遍接受的理论，csualna建立的颤抖振分析理论和Lni提出的时域抖振分析理论,并且正朝越来越精细化的方向发展.这3种桥梁抖振理论和方法都是建立在准定常理论、气动片条理论和湍流不相关、振型不祸合、气流垂直作用等假定基础之上的,随着大跨度桥梁振动响应现场实测以及使用过程中健康诊断研究的深入,为开展大跨度桥梁抖振响应分析和可靠性验证提供了机遇。 理论计算和现场实测的对比结果发现,强风常以一个较大的偏角偏离桥跨的法向,而按气流垂直作用假定进行的抖振响应分析将导致很大的计算误差。为了对大跨度桥梁抖振响应分析方法的可靠性进行合理的检验,需要建立一套斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的实用分析方法.为此,同济大学在准定常理论的基础上,通过引入斜气动偏条的概念,提出了实用的斜风作用下大跨度桥梁抖振响应频域分析有限元方法,发展了主梁斜截面6分量气动力系数和气动导数节段模型风洞试验方法以及桥塔构件气动力系数三维全模型风洞实验方法,并利用现场实测的风场及其结构响应结果对所提出的方法进行了初步验证。

③其他 由于桥梁驰振现象很少发生,因此仅以一座特殊的桥梁为例子加以说明。日本名古屋市矢田川桥是一座钢与混凝土结合梁桥,主跨为84.2m,两个边跨各为67.lm,结合梁桥面结构由两个分离钢箱和一整块预应力混凝土桥面板组成。桥宽7.5m,双向单车道，支座处主梁高度为3.2m,中跨跨中和桥梁两端处主梁高度为2.2m,原主梁断面非常钝,易于引起驰振失稳。由于该桥基本断面形状不允许有实质性的改变,只能采取一些简单的气动措施以改善驰振性能。 涡振机理以上海卢浦大桥为例子。它是一座中跨为550m的中承式钢箱梁拱桥,两片倾斜的钢拱肋从拱底到拱顶高为100m,拱肋钢箱为陀螺形,上宽为5m,下 宽为3m,拱顶处高度6m,拱脚处高度9m,其表现为一钝体断面。采用同济大学自主开发的RVM一FLUID软件,对平均高度为.75m的拱肋断面进行了二维模拟分析,结果发现在折减频率0.028Hz或斯特罗哈数为0.156时会发生严重的涡激共振.为了改善该拱肋钝体断面的涡激振动性能进行了多种气动措施的数值分析，不 难发现,最有效减小涡振的幅值的方法是整体隔板方案,其幅值可减小至原断面的40%,这一结论得到了后续全桥气弹模型风洞实验的证实。