淺析風對懸索橋梁結構的影響之我見
一、大跨徑懸索橋在抗風設計中所存在的問題
1、橋梁斷面的氣動參數(shù)
橋梁斷面的氣動力(力矩)系數(shù),氣動導數(shù)和氣動導納是橋梁抗風設計中的重要氣動參數(shù)。氣動力(力矩)主要用于橋梁的穩(wěn)定性分析,通過節(jié)段模型可以準確進行測量。
氣動導數(shù)主要用于橋梁的顫振分析,通過節(jié)段模型風洞試驗的方法進行測量,氣動導數(shù)的測量精度對確定橋梁顫振臨界風速有重要的影響,特別是當橋梁顫振是多振型、多變量耦合的形態(tài)時更是如此。在風洞試驗中用節(jié)段末年高興測量氣動導數(shù)時,要求在耦合振動試驗中,模型以純單一模態(tài)運動,但實際上很難做到,因此,如何從風洞試驗技術和數(shù)據處理方法這兩方面來提高氣動導數(shù)的測量精度是目前研究工作的重點,如何從風洞試驗技術和數(shù)據處理方法這兩個方面來提高氣動導數(shù)的測量精度是目前研究工作的重點。另外,通過不同橋梁斷面形狀在不同風速和不同湍流度下的系列試驗建立一個氣動導數(shù)的計算公式,亦是一個研究內容。
氣動導納主要用于考慮抖振動的非定常效應,在研究大跨度橋梁抖振響應時有很重要的作用。目前,對流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動導納的Sears函數(shù)來考慮抖振力的非定常效應,但是,對于復雜的橋梁斷面形狀,這種方法會產生誤差。因此,對氣動導納的研究亦應十分關注。氣動導納的研究工作還有待進一步深入,特別是在湍流場中如何準確建立鈍體的非線性、非定常氣動力學模型。
2、橋梁的拉索振動
橋梁的拉索振動的形式有渦激振動、尾流振動、參數(shù)共振和斜索雨振等,其中研究的重點應該是斜索雨振。
下雨時,大跨度斜拉橋的斜索在一定的風速和風向范圍內會引成一條穩(wěn)定的上水路,發(fā)生大幅度的振動,稱為雨振。這種振動會引起相鄰斜索的碰撞,使其保護皮破損;還會使斜索末端禁固件產生疲勞損傷,導致減震器損壞,危及橋梁的安全。我國上海南浦大橋、楊浦大橋和武漢長江二橋建成后相繼觀察到斜索雨振現(xiàn)象。國內為對斜索雨振的機理進行了很多研究,除了用馳振理論解釋外,還有用二次流理論和能量輸入理論來解釋雨振現(xiàn)象。中國空氣動力研究與發(fā)展中心對斜索雨振現(xiàn)象進行了風洞試驗,通過測量雨振斜索上的脈動壓力分布來研究影響雨振的因素,并將雨振脈動壓力積分得到的非定常氣動力模型引入斜索雨振時的振幅計算。有關斜索雨振的機理還有待進一步研究。
風對結構的作用不僅是靜力問題,對于大跨度柔度橋梁,各類風致振動更是抗風設計時的主要內容。在大跨度橋梁的抗風設計時,除理論分析之外,更主要是通過模型風洞試驗予以確定和評價。最后指出了有關風對橋梁作用的研究中,需要進一步研究橋梁斷面的氣動參數(shù)和橋梁拉索振動這兩個問題。
二、風動力對橋梁結構的影響 大跨度橋梁,尤其是對風較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋,除需要考慮靜風荷載的作用之外,更主要考慮風對結構的動力作用。其中對橋梁的動穩(wěn)定性研究尤為重要。顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動穩(wěn)定性問題。
1、顫振
顫振是橋梁結構在氣動力、彈性力和慣性力的耦合作用下產生的一種發(fā)散振動,是在一定的臨界風速下結構振動振幅急劇增加而會導致結構毀壞的一種發(fā)散振動。發(fā)散振動是一種空氣動力失衡現(xiàn)象,它主要是因為結構的運動(振動)影響了氣流經過橋梁時的繞流狀態(tài),因而影響了氣動力,從而產生一種所謂自激力,結構在自激力作用下振幅越來越大最后導致動力失穩(wěn)。由于這種振動一經發(fā)生就會導致結構的整體破壞,因而在抗風設計中,要求發(fā)生顫振的臨界風速大于主梁的設計風速并留有一定的安全余量。
同時，橋梁發(fā)生何種顫振與主梁截面的氣動外形有這密切關系,通常來講,主梁截面的流線性越好,氣動穩(wěn)定性越好。因此,在大跨度橋梁的初步設計階段,有必要對主梁截面進行比選或通過風洞試驗對基本截面進行優(yōu)化,以保證結構的抗風安全性。
2、 抖振
抖振又稱為陣風相應,它主要由大氣中的紊流成份(即脈動風)所激起,是一種隨機強迫振動。雖然是一種限幅振動,但由于發(fā)生抖振的風速低,頻率大,會導致結構局部疲勞,影響行人和車輛行駛的安全性,因此橋梁抗風設計時也要進行抖振相應分析。近年來,隨著對抖振機理的深入認識,提出了一種新的抖振響應分析方法,在頻域抖振相應分析中考慮了任意運動的自激力,以及在大變形下橋梁結構非線性的是與抖振響應分析方法,提高抖振響應分析的可信度。同濟大學對橋梁抖振相應分析方法進行了簡化,給出了實用的計算公式。
對抖振的研究表明:隨著橋梁跨度的增大,結構的柔性增加,抖振也會相應增大;且隨著風速的增大,抖振相應(振幅及結構內力)會成倍增大。因此,對于設計風速較高或跨度較大的各式橋梁,尤其對大跨度斜拉橋和懸索橋,抗風設計中必須對抖振相應進行檢算。
三、大跨橋梁的抗風設計對策大橋工程的挑戰(zhàn)性主要表現(xiàn)在團跨度的超大化所帶來的結構非線性航風穩(wěn)定性、施工控制、拉索振動控制，超高橋塔的抗震，以及50m以上的超深水基礎和軟土錨碇等難題。
1、提高系統(tǒng)整體剛度。大跨度懸索橋的結構剛度主要來自于主纜，因此提高結構整體剛度的著眼點應放在主纜上。通過調整主纜同加勁梁的相對位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達到提高結構抗扭剛度和扭轉振動頻率的目的，而顫振臨界風速同橋梁扭轉頻率和扭彎頻率比直接相關，所以這類方法對提高大跨和超大跨懸索橋的顫振穩(wěn)定性也是行之有效的。此外，有的學者還提出應用空間索系來提高懸索橋的側向和扭轉剛度，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過于復雜目前很難付諸實施。2、水平輔助索。利用水平輔助索可以提高懸索橋的抗扭剛度從而提高扭轉振動頻率。因為加勁梁扭轉模態(tài)振動時兩根主纜作異相抖動，表現(xiàn)為沿著橋梁軸線的反對稱運動，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對稱抖動，從而提高結構的抗扭剛度。其效果類似于橋塔抗扭剛度的增強。3、橫向輔助索。這些輔助索的共同效果在于將加勁梁的扭轉振動同側向水平振動在一定程度上耦合起來（扭轉中心上升），從而提高結構總體抗扭剛度。當主梁扭轉時由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉運動總是伴隨著主纜的運動和加勁梁的側向水平運動，對相同荷載作用下的扭轉振動而言振幅得到了一定的控制，扭轉剛度也得到了提升。
參考文獻：
項海帆等.公路橋梁抗風設計指南.人民交通出版社，19962) 本州四國聯(lián)絡橋公團.明石海峽大橋耐風設計要領（案），同解說.1988年3月3) 日本道路協(xié)會.道路橋耐風設外便覽.1991年3月
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