刍议大跨径悬索桥抗风问题及风振措施

刍议大跨径悬索桥抗风问题及风振措施

陈龙贵

柳州铁道职业技术学院  广西柳州市545616

摘 要：随着现代桥梁技术的不断提升，大跨径悬索桥的应用越来越多，跨径记录也被不断打破。悬索桥相对于其他结构形式的桥梁而言，其更容易受到风力的影响，尤其是对于大跨径悬索桥而言，风力作用下引起的各种振动对于桥梁的稳定性会造成极大的影响。因此，如何提升抗风问题成为了大跨径悬索桥在设计时的重点问题。文章对悬索桥进行了详细的风振分析，并在此基础上对如何提升大跨径悬索桥抗风能力展开了讨论。

关键词：悬索桥，风振，桥梁稳定性

前 言

在所有桥梁结构中，悬索桥的跨越能力是最突出的，在跨江、跨海、跨山谷等方面有重要的应用。这种桥梁结构主要依赖于缆索支撑体系，因此其非线性特性非常明显。正是由于这种特性，因此其在风力荷载的作用下动力响应问题也相较于其他结构桥梁更加明显。在早期的悬索桥设计中，由于对风载作用的考虑不够全面，因此设计出来的桥梁安全性存在明显的缺陷，引发了众多安全事故，造成了极大的经济损失和人员伤亡。因此，当前悬索桥设计时尤其是大跨径悬索桥设计的过程中，相关人员非常重视桥梁的抗风问题。文章以悬索桥风振类型出发，对桥梁自身的结构特征风载响应特征进行了归纳，并在此基础上提出了若干风振减弱措施，强化大跨径悬索桥的抗风设计方法和内容。

1. 悬索桥风振分析

从结构上来看，悬索桥是一种柔性结构，在风力荷载的情况下，其受力情况和振动方式具有多变性。在经过了长期的实验探究后，人们对这种柔性结构的振动现象有了较深刻的认识。并根据各种振动的特性制定了具有针对性的控制措施，具体如下：

1.1 抖振

抖振的本质是一种结构性强迫振动，其引起的原因是脉动风。这种振动引起的原因可以概括为两种：（1）风本身的不规则性使得气流的方向和速度较为紊乱，这种紊乱的气流直接作用在桥梁结构上，引起的强迫性振动。（2）在桥梁周围存在山体、建筑等，气流流经这些遮挡物时产生了紊乱的气流，这些气流简介作用在桥梁结构上，引起强迫性振动。从振动的幅度上来看，由于抖振的起因是紊乱的气流，其方向是多变的，不会有明显的方向性，因此引起的桥梁振动幅度较小，一般不会直接给桥梁造成非常严重的结构性破坏，但是可能使得桥梁的部分结构变形，影响桥梁上通行人员的舒适度。抖振是难以避免的，一般采取增加阻尼的形式来对其影响进行限制。

1.2 颤振

颤振是一类振动的总称，包括扭转颤振和弯曲扭转耦合颤振等多种振动形式。其产生的原理如下：气流在绕过桥梁结构时，会产生再附着现象，这种现象会导致与结构振动之间具有相位差。气流中所具有的动能被结构振动吸收，从而产生扭转自激振动。

1.3涡激共振

在悬索桥中有很多结构都是非流线型的，当风从这些结构表面经过时，气流会从其表明剥离，同时在尾流中产生交替存在的涡流。涡流按照一定的频率从桥梁结构上脱离，而桥梁结构本身存在着固有振动频率，如果这两个频率在某一时刻足够接近，那么就会产生涡激共振。从上述描述中可以看到，窝激共振的产生条件比较苛刻，只有在特定风速的情况下才会产生。且其振动幅度也较小，造成的危害有限，在实际的设计中常常使用增加阻尼或者整流装置来对其振动频率进行一定的限制。

1.4 风雨振

风雨振产生的条件更加苛刻，从字面上来看必须要在风雨并存的气候条件下才会产生。其产生机理到目前为止尚未明确，初步推测为雨水沿着悬索桥的缆索流动时，相当于改变了其结构特性，时缆索结构断面的气动性质发生改变，进而引起的振动。

2.悬索桥结构特点和风载响应特点

从结构上看，悬索桥的主要支撑构件为缆索系统，是一种典型的缆索支撑型结构。包含主缆、加劲梁、锚锭和吊杆等受力构件。每一种受力构件的结构是具有差异性的，且差异较为明显。因此每一个构件在抗风性能上也有所不同，使得整个悬索桥所突出的抗风问题具有复杂性。对于大跨径悬索桥而言，由于其跨度较大，因此需要设置主塔来对主缆进行支撑，同时兼顾连接地基的功能，在悬索桥中是最主要的承重结构之一。主塔主要承担的荷载是主缆在垂直方向上的荷载分力，对于整个悬索桥的稳定性具有非常重要的作用。这种受力方式决定了主塔的形状一般是矩形或菱形等钝体截面。而主缆承担的受力则主要是恒载、活载，所谓的恒载就是桥梁自身的重量带来的荷载，而活载则是在外部条件作用下产生的荷载。这些荷载都通过主缆进行传递，分散到索塔和锚锭结构上。所以主缆需要极大的受拉特征，且大跨度要求其具有优良的柔性，所以其截面一般为圆形。总言之，大跨径悬索桥的每一个构件的材料特征和形状特征都是由其受力特征决定的。

风对桥梁的作用是非常复杂的，但按照力学性质可以分为两类：静力和动力。静力作用包括静风荷载以及静风引起的各种稳定性问题；而动力作用则包含上述介绍的颤振、涡振等复杂振动。一般来说，静力作用是比较容易控制的，在对桥梁进行设计时，静力作用是比较容易规避的。而动力作用则会随着环境的变化而产生变化，各种问题在不同的环境下凸显程度不同，造成的影响也有所差异。因此，在设计过程中，重点在于研究如何降低动力作用对悬索桥造成的影响。

3 主塔抗风问题和风振措施

3.1 抗风问题

悬索桥主塔构件在受力上主要承担的是局部受弯以及受压，为了降低这种受力方式对主塔结构的影响，一般将其设计为矩形形状。主塔的高度与悬索桥的跨度是紧密相关的，在对其进行设计时，根据实际环境将其高度定为最大跨度的1/10~1/3之间，且要求其具有一定的柔性。这样的结构特征一方面使主塔能够承担悬索桥自重带来的受力，另一方面又导致其较易形成弛振和涡振。驰振产生的原因是桥梁结构在振动的过程中，不断地从风中吸收能力进而引起自激振动发散，所以振动的幅度与从风中吸收的能量总量有关，因此驰振存在一个临界风速，只有当风速超过这个临界值时才会引发。在这个风速以内，结构振动虽然会从风中吸收到少部分能量，但由于吸收的能量总量不大所以并不会引起发散，对桥梁结构的危害也不会非常明显。

3.2风振措施

主塔风振措施的确定需要依据主塔风振产生的原因和其影响因素。主塔之所以容易发生驰振和窝激共振，与其矩形断面具有非常密切的联系，此外，主塔的高度，浇筑主塔所使用的材料等都会成为影响因素。故此，可以从以下方面来进行控制，提升主塔抗风能力：

（1）改变主塔形状和建筑材料。前面提到过，矩形横截面的形状特征是主塔引起风振的主要原因之一。不同外形的结构体，其振动的基频是不同的，不同的基频则意味着不同的振动条件。可以将悬索桥主塔改变成基频较低的结构形状，例如人字形和独柱形。而双柱型主塔虽然去基频较低，但是涡振也比较明显，尤其是下结构的扭转幅度比较大，在设计时需要根据实际情况进行设计。此外，在建筑材料方面，不同的材料本身的基频也有所不同，一般钢材的阻尼要明显大于混凝土，在设计时可以进行综合考虑。

（2）优化主塔的截面形式。主塔截面可以通过将外边缘角落设置为圆角、倒直角等形状来提升其气动稳定性。也可以在顺桥向或者是横桥向进行开槽处理，对风流动时的绕流线路进行调整，从而提升主塔整体的抗风性能。

（3）采用机械方法进行减振。机械减震就是通过在主塔外设置一系列机械装置来增加其阻尼性能，例如阻尼器等。从当前的实际应用上来看，常用的阻尼器有黏滞阻尼器和调谐阻尼器等。机械方法是一种被动风振措施，它并不能直接降低风载力量，但是可以降低风载的影响。一般阻尼器需要安装在结构振动最明显的地方，从而起到最佳效果。

4 加劲梁抗风问题和风振措施

4.1 抗风问题

通过大量的实践经验和风洞试验可以看出，加劲梁的主要风致振动形式有两种，即颤振和抖振。其中前者是加劲梁最显著的振动，因此在对加劲梁进行设计时，主要需要考虑的就是颤振对其结构的影响。颤振一般具有较强的破坏力，容易在短时间内引起加劲梁的损坏，从而对整个桥梁结构造成不可逆转的损坏。从本质上来看，颤振也是一种发散振动。其发散的原因在于当强风作用于建筑结构上时，建筑发生扭转，且角度不断变化，从而导致负阻尼。风攻角的不断变化使得振动发散。

4.2 风振措施

（1）边缘风嘴措施。在加劲梁的两侧边缘位置增加风嘴能够对风流过其表面时的形态进行调整，使得整个截面增加趋于流线型。这样能够降低涡振对其结构造成的影响。此外，由于风嘴具有尖角特性，因此其在降低颤振性能上也具有非常明显地优势。在大量的风洞试验中，都证明了建造性能上的优点，且我国目前有很多大跨径桥梁在设计时都已经采用了风嘴设计，经过检验其性能优势明显，值得进行推广。

（2）中央开槽措施。在相同的风力作用下，如果能够增加通风面积，那么在单位面积上所受到的压力会降低，桥梁整体风压会减小。在加劲梁的中央位置开槽则能够增加风流动的面积。此外，通过加槽还能够对风的流动特性进行改善，减小加劲梁两面之前的风压差。这对于提升大跨径悬索桥的风稳性是大有裨益的。

（3）分离式箱梁设计。延续中央加槽的设计思路，可以将其进一步设计为分体箱梁结构，提升震颤临界风速。临界风速的提升意味着更加具有稳定性，更不容易产生颤振。目前，这种设计方案常用于超大跨径的悬索桥。

结 语

交通是经济发展的基础，随着科学的进步和技术的发展，目前在世界各地有越来越多的大跨径悬索桥被设计出来并投入使用。作为一种柔性结构，悬索桥的风稳定性对于通行人员的安全和桥梁自身的使用寿命具有重要的意义。而目前的发展趋势是悬索桥的跨径越来越大，整个桥身变得越来越纤细，其动力非线性行为将会愈发突出。悬索桥上每一个构件是面临的抗风问题是不完全相同的，这些差异性源自于其受力情况、结构形状以及建筑材料。因此，桥梁整体的抗风问题就显得很复杂。要想提升大跨径悬索桥的抗风性能，就必须要从细节出发，从每一个构件出发，研究其主要的抗风问题，并结合实际情况制定风振措施，从而整体上提升桥梁的稳定性。

参考文献

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[3]王夕伟.大跨径悬索桥非线性静风失稳全过程分析[J].公路交通科技(应用技术版).2017(09).

课题项目：2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于CFD方法单、双链式悬索桥静风响应对比分析与研究”(编号：2022KY1406)

作者简介：陈龙贵（1988-），男，汉族，重庆市忠县人，硕士研究生，讲师，研究方向：桥梁与隧道工程。