大跨径悬索桥风致振动及抗风措施

大跨径悬索桥风致振动及抗风措施

陆明龙

重庆交通大学土木工程学院重庆400074

摘要：悬索桥以主缆为主要承重结构具有跨越能力大、雄伟壮观、造型优美等优点而成为大跨径桥梁结构首选桥型之一。但随着跨度的增大，悬索桥的刚度变小，对风的敏感性越来越大，对抗风要求也越来越高。大跨度悬索桥在风荷载的作用下，主要构件会产生各种形式的振动。简述了国内外悬索桥抗风的发展和研究历史，分析了悬索桥风致振动的形式，并提出增强结构刚度、抑制风致振动的抗风措施。

关键词：大跨径悬索桥、风致振动、抗风措施

1前言

悬索桥是以缆索为主要承重结构的桥梁结构，由于其强大的跨越能力，成为跨越宽大江河、海湾的首选桥型之一。我国修建悬索桥的历史久远，早在千年之前，四川就已出现竹索桥。明清时期，在我国西南地区，修建有诸多铁索桥，有些索桥至今仍在使用，著名于世的有贵州盘江桥和四川泸定桥。在国外，也存在古老的悬索桥，如麦地海峡桥和克里夫顿桥。20世纪初，国外欧美等国家经历了工业革命，加上悬索桥计算理论的初步形成，使悬索桥得到迅速的发展。由于缺乏对空气动力学的研究，1940年，美国塔科马桥被风摧毁而倒塌。此后十年，悬索桥的建设进入了停滞期。在塔科马老桥风毁后，人们意识到悬索桥抗风设计的重要性，开始进行很多风洞试验以探索悬索桥抗风措施。抗风研究阶段后，世界各国为了适应日益增长的交通量和经济发展，兴起了修建大跨径悬索桥的高峰。我国在90年代后，国家加强基础建设水平，悬索桥的发展迅猛，东南沿海地区地区和长江内河等地修建了诸多大跨度的悬索桥，如今建设已经走在了世界的前列。但悬索桥由于跨径的增大，刚度减小，柔性问题突出，承受风荷载的能力逐渐减小，极易被风摧毁。悬索桥的风毁破坏属于脆性破坏，破坏前是难以预测和预警。因此，深入了解桥梁与风作用后效应，进行科学合理的抗风设计，采取有效的抗风措施提高桥梁的抗风能力，对于悬索桥的建设和发展具有十分积极的现实意义。

2大跨度悬索桥风致振动形式

风是指空气由于太阳加热不均匀而引起的流动，具有一定的速度与方向。桥梁在风通过时，会与风产生作用，形成摩擦力和推力。当风以不变的物理量作用在桥梁时，产生的力为静力，可按结构力学方法进行计算。但是自然界风的作用由于具有不规则性，对悬索桥作用的大小和方向是随机的。悬索桥结构构件与风的作用大小和方向有所不同，会产生不同形式的风致振动。下面主要介绍悬索桥结构产生的常见风致振动形式。

2.1加劲梁的颤振

当风通过非流线型断面的加劲梁时，气流会产生涡旋和分离，此时风不仅具有静力作用，更值得注意的是其对桥梁结构的动力作用。对于大跨度悬索桥这种刚度相对较小的桥型，风的作用激发了加劲梁结构产生振动，加劲梁的振动发过来影响气流的流场，改变气流的大小和方向，此时风的流动和加劲梁振动想互影响。空气力受加劲梁振动的影响较大时，形成一种自激力。加劲梁的振动系统阻尼在受不断的气流反馈作用而变为负值时，不断吸收能量导致振幅逐步增大的空气失稳现象现象称为加劲梁的颤振。

2.2加劲梁的涡振

气流绕过非流线型的断面的加劲梁时，会发生流动分离，气流分离形成的自由剪切层在流动中卷起形成有规律的漩涡而又脱落，产生交替变化的涡激力。这种由于气流分离形成的漩涡脱落具有周期性，在一定条件下使悬索桥产生的共振现象称为涡激共振。涡激共振虽然不会引起整个结构的发散性振动，对结构产生毁灭性破坏，但其共振的风速一般较低，出现的频率较高，会出现较大的振幅，引起行车舒适度和结构疲劳问题。

2.3吊索的风振

悬索桥的吊索和其他非流线型断面一样，会发生涡激振动、尾流颤振和尾流驰振。吊索断面在风速较低时，就会产生旋涡并有规律脱落，引发涡激振动。由于吊索相对整个结构来说较小，产生的涡激振动对桥梁不足以产生很大的结构安全和舒适度。当悬索桥上下游的吊索间距大于一定的距离时，会产生尾流颤振，当吊索间距小于一定距离时，会产生尾流驰振。故上下游吊索间距应该通过风洞试验探究出最佳间距，避免尾流颤振和尾流驰振的发生。

3大跨度悬索桥抗风措施

我国悬索桥在过去三十年里得到快速的发展，同时也对桥梁的抗风进行了系统的研究。大跨度悬索桥刚度相对较小，必须根据桥梁址的风速和风力考虑风致振动的问题进行抗风设计和采取抗风措施。大跨度悬索桥的抗风能力可通过结构措施、气动措施和机械措施来提高。

3.1结构措施

为了提高大跨度悬索桥的抗扭刚度和抗风稳定性，通过改善结构体系的方式来达到抗风的目的。提高抗风稳定性主要有交叉吊索系统、空间缆索系统和斜拉—悬吊体系。交叉吊索系统是通过拉索将加劲梁与主缆横向连接起来，抑制风荷载作用下横桥的横向位移或侧弯，从而提高悬索桥的抗扭刚度。空间缆索结构是通过将主缆和加劲梁用缆索连接起来形成类似于三角形的空间网索体系，利用了三角形的稳定性，提高了结构整体的刚度和稳定性。斜拉—悬吊体系是指在一座桥中同时应用了斜拉桥和悬索桥这两种桥型，将它们形成一个共同受力的整体，发挥各自的优点，改善其抗风能力。

3.2气动措施

3.2.1设置边缘风嘴

在加劲梁梁端设置风嘴可以改善气流的流动状态，避免结构发生涡振和颤振，使气流流动平顺。合理的边缘风嘴能提高悬索桥加劲梁的抗风能力和结构的稳定性。研究表明，设置风嘴后，桥梁结构与风力的想互反馈作用减弱，降低了结构共振的概率，提高结构的扭转刚度和抗风稳定性。在现代建设的悬索桥中，对于抗风要求高的悬索桥基本采用流线型边缘风嘴措施来提高其抗风性能。我国香港青马大桥、虎门大桥、西堠门大桥等悬索桥均采用了该种措施。

3.2.2设置中央稳定板

在主梁断面中央增设垂直于桥面的稳定板，可以提高主梁颤振临界风速，有效改善其稳定性能。实验研究表明，在一定范围内，随着中央稳定板高度的增长，抗风能力有所提高，但高度超过一定值时其抗风能力反而降低。中央稳定板的设置能增大竖向自由度在颤振过程中的参与程度，有利于改善结构的气动稳定性能。

3.2.3分离式箱梁断面

分离式箱梁断面是在中央开槽的思想中得出来的一种改善桥梁结构抗风性能的措施。悬索桥随着跨径的增大，刚度变小，风致振动的效应越明显，使得悬索桥的跨径无法逾越2000米。为了提高钢箱梁断面的抗风能力，目前世界上普遍采用分离式箱梁断面的措施。国内外学者研究发现，将一个整体式箱梁断面进行开槽时，可以改善结构的颤振稳定性能。但分离式箱梁使得气流通过结构时绕流状态变得更加复杂，开槽宽度将会影响到抗风效果。我国舟山西堠门大桥、汕头海湾大桥应用了该措施。

3.3机械措施

机械措施是指在加劲梁上设置一些附属设施来增大结构的阻尼，减小风荷载对桥梁的结构作用而引起的振动。机械措施主要是安装阻尼器，阻尼器类型有TMD被动阻尼器、主动阻尼器和半主动阻尼器。机械措施成本低，施工简单，但措施的效果依赖于设备的完整性，但出现机械故障且不及时更换时，造成的后果极其严重。

4结语

理论和实践表明，悬索桥具有突出的优点，是目前跨越能力最强的桥型。但悬索桥对风的动力作用敏感，会出现风致振动的现象。因此，大跨径悬索桥建设下一阶段，应加强对桥梁的抗风设计研究，采取有效的抗风措施，实现更大跨度的建设。

5参考文献：

[1]张新军，应磊东.大跨径悬索桥抗风措施研究综述[J].公路，2006（11）：73-80.

[2]葛耀君.大跨度悬索桥抗风[M].北京：人民交通出版社，2011

[3]刘志英.大跨径悬索桥的风响应及抗风措施[J].广东公路交通，1998（04）：32-37.