現代橋梁的抗風理論及其應用

聶彥軍+譚超

摘 要：隨著我國基礎建設的發展與進步，橋梁建設作為其中重要組成部分，發揮著不可替代的作用。隨著現代大跨度橋梁所占比例上升，風荷載已經成為橋梁設計中不可忽略的因素。確保橋梁建設的質量要求，橋梁的抗風設計必不可少。因此，研究現代橋梁抗風理論及其應用是十分有用以及必要的。

關鍵詞：橋梁建設；抗風理論；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.087

0 前言

橋梁應能在各種自然災害作用下保證交通的通暢。隨著現代橋梁的發展，風作為一種發生頻率高的自然災害，對橋梁產生了嚴重的威脅。在這種情況下，保證橋梁的質量和安全就必須提高現代橋梁的抗風理論及應用。

1 橋梁風環境

1.1 強風平均風速剖面

橋梁的抗風設計必須要考慮近地層強風的作用。在設計過程中，應對橋梁施工地點實際情況與施工高度的強風進行跟蹤測量，采用的測量工具包括大氣風廓線儀和超聲風速儀。通過相應的測量繪制強風平均風速剖面示意圖，然后在橋梁施工過程中較為合理的開展工作，從而增強橋梁的抗風性能。

1.2 極值風速風向的統計分析

橋梁建設過程中極值風速風向的統計分析對于橋梁的建設有很重要的作用。在我國實際工程中通常使用三種極值分布概率模型進行分析。在不同的地點，極端風速的分布在任一點各個方向上存在差異性。大部分橋梁工程結構，特別是現代大跨橋梁結構在空間不同方位的差異更加明顯。

1.3 近地風的風洞模擬

大氣邊界層近地風的風洞模擬在橋梁設計中是不可或缺的步驟，風洞模擬按照有無控制部件可分為主動模擬與被動模擬兩種類型，其中被動模擬主要是通過湍流邊界層進行控制。而主動模擬主要指可控制運動機構。通過以上兩種模擬方式的實施，我們能夠更好地進行橋梁抗風的合理設計。

2 橋梁抗風研究方法

2.1 風洞實驗

風洞實驗研究既是空氣動力效應研究的一個重要內容，也是一個最重要的手段。Tacoma Narrows Bridge的風毀事故之后，使橋梁工程師們開始認識到風不僅僅是靜力作用，從而開啟了全面研究大跨度橋梁風致振動和氣動彈性理論的序幕。科技的進步產生了多種風洞實驗方法，主要有全橋氣彈模型、拉條彈性模型、節段剛性模型。在風洞實驗的所有類型中，全橋氣動彈性是我國最早在橋梁抗風研究中應用的模型。

2.2 數值模擬

對于二維橋梁斷面氣動參數的數值風洞識別，目前普遍應用的方法是數值模擬。橋梁斷面附近區域存在著變化復雜的湍流，而湍流運動是一種隨機過程，這給數值模擬提出了很大的挑戰。我國現階段運用的試驗方法包括直接數值模擬、大渦模擬和雷諾時均模擬。同濟大學先后自主開發出FEM—FLUID和RVM—FLUID模擬軟件，后期又引進了FLUENT商業軟件，作為上述兩種軟件的補充和驗證。

2.3 理論分析

根據風振形式的不同，橋梁風振理論的分為顫振理論、抖振理論、馳振理論以及渦振理論。因為馳振和渦振出現概率較小，所以顫振和抖振作為現代橋梁的分析重點。對于顫振理論，隨著時間的推進和科技的發展，經歷了由簡到繁，由理論到實踐，由近似到精確的發展歷程。二維顫振理論分析方法廣泛應用于橋梁工程。但是隨著橋梁跨度的增大，橋梁結構的結構側向剛度急劇降低，造成了側彎與扭轉振型耦合。另外，由于結構各階自振頻率相符度越來高，為了精確的分析橋梁顫振，研發高精度的三維橋梁顫振分析方法十分必要。

抖振是湍流繞鈍體結構形成的，是一種不發散的強迫振動。現階段普遍的抖振理論包括Davenport 的抖振分析理論、Scanlan的顫抖振分析理論和Lin的時域抖振分析理論。通過理論計算與現場實測的結果對比，發現強風與橋跨的法向存在較大偏角，分析抖振響應將出現較大誤差。因此，應當建立斜風作用下的大跨橋梁抖振響應的分析的精確方法。

3 橋梁的抗風設計

3.1 動力穩定性與改善

21世紀開始，在橋梁領域建成了一批跨徑大、技術含量高的現代橋梁。要確保這些大跨度橋梁設計工作的質量，進行橋梁的動力穩定性進行計算和設計是必不可少的。因此，大跨橋梁進行建設前期，應按照現代橋梁穩定性要求，運用抗風理論對橋梁的抗風能力和建設強度進行計算和設計，從而對橋梁的建設質量進行保證。

3.2 靜風等效荷載計算

在橋梁抗風理論設計運用的過程中，靜風等效荷載的計算與設計是其中重要的組成部分，需要考慮風的特性和橋梁的結構特性兩者之間的相互作用。Davenport研究理論使風荷載計算更為精確，同時也提出了陣風荷載系數與陣風的具體效益系數的觀點，從而使等效風的荷載情況通過計算模型延伸到更大的領域。根據現代橋梁的空間結構，可以研究橋梁的靜態風力等效情況，并根據風速在同一時間段內設計長跨度橋梁的靜態風力替代方案。在制定完成多種等效風測算方案后，應通過線性連接方式設計靜態風替換方案，使靜風等效荷載方法正確使用。

4 結論

中國橋梁建設自20世紀80年代的起步發展，經過20世紀90年代的學習與提高，到了21世紀，在前兩個時期的發展積累下，不斷自主創新提高橋梁建設的核心競爭力。在橋梁的抗風理論與應用方面取得了很大的發展，但依然存在著一些薄弱環節。因此，我國的橋梁抗風理論的研究應該更加深入。通過不斷完善理論方法促進橋梁事業的蓬勃發展。

參考文獻：

[1]項海帆，葛耀君.大跨度橋梁抗風技術挑戰與基礎研究[J].中國工程科學，2010，35（06）：77-78.

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