小议大跨度桥梁的抗风措施

小议大跨度桥梁的抗风措施

王勤傲

华南理工大学510641

摘要：现代桥梁结构向着跨度更大、更柔、更纤细的方向发展，并且由于风是一种随机不确定性的荷载，所以这必然导致对风的敏感性增加，因此有必要对其抗风性能进行研究。基于此，本文首先分析了大跨度桥梁采取抗风措施的必要性及风对大跨度桥梁产生的影响，并针对一般大跨度桥梁及超大跨度跨海大桥的抗风减振措施分别进行了探讨。

关键词：大跨度；桥梁；抗风措施

1.大跨度桥梁采取抗风措施的必要性

随着经济技术的不断发展，大跨度桥梁在我们的生活中层出不穷，且多处于公路交通运输的枢纽和咽喉地段，为道路生命线工程的重要组成部分。对于桥梁工程来说，风荷载主要作用在桥梁的主梁上，包含桥塔、缆索构造也都是承载风荷载的构件。风的作用会引发振荡，即是风致振荡。风的作用还会对桥梁结构的稳定性造成影响，特别是对大跨度桥而言，风的动力作用更为突出，例如贵州的特大型桥梁——坝陵河大桥，由于其地处峡谷，两岸地势陡峭，地形变化急剧，河谷深达400-600m，如下图1所示。因此，必须要在大跨度桥梁建设中采取抗风措施，以确保建成运营后的抗风稳定性、安全性和适用性。

图1坝陵河大桥

2.风对大跨度桥梁产生的影响

2.1风静力对桥梁结构的影响

当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，此时风对桥梁的作用可以近似看作为一种静力荷载。桥梁在静力荷载作用下有可能发生强度、刚度和稳定性的问题。如主要考虑桥梁在侧向风荷载作用下的应力和变形，另外对于升力较大的情况，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主梁整体的横向屈曲，其发生机制类似于桥梁的侧向整体失稳问题以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矩增量超过结构抗力矩时出现的扭转失稳现象。

2.2风动力对桥梁结构的影响

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，除了需要考虑静风荷载的作用之外，更主要的是考虑风对结构的动力作用。其中对桥梁的动稳定型研究尤为重要，本节主要以颤振进行分析。

颤振是桥梁结构在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下产生的一种发散振动，是在一定的临界风速下结构振动振幅急剧增加而会导致结构毁坏的一种发散振动。发散振动是一种空气动力失衡现象，它主要是因为结构的振动影响了气流经过桥梁时的绕流状态，因而影响了气动力，从而产生了一种所谓自激力，结构在自激力作用下振幅越来越大，最后导致动力失稳。

3.一般大跨度桥梁的抗风减振措施

3.1改善桥梁的动力特性

3.1.1提高结构的刚度以加大固有频率，从而提高临界风速和减少振幅。然而对于柔性大跨度桥梁结构，增加主梁刚度来满足抗风要求是不经济的，有时也会带来恶化气动外形的结果。

3.1.2增加结构质量，可以减少一些风致振动的振幅，但是也应注意该法同时也降低了频率，带来不利的影响。

3.1.3对于多数带流线型截面的大跨度桥梁，其颤振形态是以扭转为主的，提高主梁扭转刚度可采用抗扭刚度大的结构有利于提高颤振临界风速，如斜拉桥采用布置成斜索面的A型桥塔，在悬索桥中采用中央扣挂斜吊索，将塔梁固结以约束扭转变形等等。

3.1.4除了古典颤振以外，其他各种风致振动都可以通过提高结构的阻尼来提高抗风稳定性或减少振幅，然而结构本身的阻尼是有限的，因而可采用安装阻尼器的方法来见解提高结构的阻尼，如TMD，TLD等。另外混凝土桥较钢桥阻尼高。

3.1.5斜拉桥斜拉索的减振制措施也很多，如采用阻尼器，将斜拉索相互连接等。

3.2改善截面气动性能

造成结构风致振动的空气作用力（自激力、涡激力和抖振力）都是空气（平均风和脉动风）绕过桥梁断面时发生相互作用而产生的。改变截面的气动外形必将引起空气力的增大或者减小。目前通过风洞模型实验的手段来识别各种空气作用力，并在大量的实验中总结出一些有效的措施。

3.2.1提高断面的流线化程度，使其具有良好的气动性能。

3.2.2带悬臂的截面较钝头截面有较好的气动性能，且悬臂愈长，气动稳定性愈好．在截面头增设风嘴、裙板将改善气流的流台，减少涡脱，使截面趋于流线型。相反，桥面的防撞栏、透风率较低的栏杆、路缘石等对气动性能是不利的

3.2.3采用桥面局部开槽的透风措施，增加气动稳定性，对于超大跨度桥梁，这种措施是必须的。

3.2.4增加一些抑流板，导流板和扰流板等减少抖振反应，但应注意到，由于各种风振的极力不同，一种措施并不能兼顾各个方面，有时，某种措施能抑制一种风致振动，而对另一种风致振动的效果不大，甚至会引起相反的效果。因而必须经过风洞实验验证其效果。

4.超大跨度跨海大桥抗风对策

4.1结构措施方面，提出了若干结构体系调整方案，特别是主缆系统的调整方案，如采用交叉吊索，采用竖向倾斜的空间缆索体系等形式。结构措施的目的主要是为了提高结构的扭转刚度，增大结构的扭转振动频率，以此提高结构的抗风稳定性。

4.2空气气动措施方面，主要有在加劲梁两侧设风嘴，在加劲梁中央采用开槽的措施形成分体桥面等措施。但过宽的中央槽将使横梁跨度增大，使桥梁造价增大，过宽的桥面，有时也会造成桥塔宽高比的失调，影响桥梁的美观。

4.3机械措施方面，主要是在加劲梁上安装一些辅助装置来增大结构的阻尼，并减小作用在结构上的气动力，从而达到提高悬索桥气动稳定性的目的。这种装置主要有两类，一类是阻尼器，另一类是在加劲梁断面的迎风、背风边缘安装的控制面。当加劲梁在气流作用下发生振动时，用作用在控制面上的气动力来增大结构振动的阻尼，从而提高颤振临界风速。

结束语

总之，我国的桥梁风工程研究经过多年的努力已经取得了一定的成果，并且随着各高校风洞试验室的不断增建，关于桥梁风工程研究的硬件设施不断完善，各种抗风计算分析软件也不断被推出，所有这一切都为新的研究成果的出现打下了基础，也为我国的大跨度桥梁抗风工程研究继续取得长足进步创造了条件。

参考文献

[1]姜天华.大跨度桥梁风致振动控制研究[D].武汉理工大学.2009.

[2]刘健新，张科超，毕延超等.结构抗风措施在大跨度桥梁中的应用[C].第十四届全国结构风工程学术会议论文集.2009.

[3]项海帆，葛耀君.大跨度桥梁抗风技术挑战与基础研究[J].中国工程科学.2011.