淺談大跨度橋梁抗風設計研究的發展現狀

文/郎曉明 舟山市大橋建設管理局 浙江舟山 316043

我國交通工程建設在過去的幾十年里取得了舉世矚目的輝煌成就，黨的十九大報告中更是對我國交通工程的總體建設目標提出了更高標準的要求，要在新時代開啟建設交通強國的新征程。縱觀我國交通工程建設發展的這幾十年，橋梁工程作為交通工程的重要組成部分，其迅猛的發展速度令人驚嘆。從1991年我國建成了第一座完全由我國自行設計、自行建造的主跨達423m的現代化橋梁——上海南浦大橋；2008年正式建成通車的主跨1088m的世界第二大跨徑的斜拉橋——蘇通大橋；2009年建成通車的采用分體式鋼箱梁主跨1650m目前位居世界懸索橋第二的西堠門大橋；2014年正式開工，建成后其懸索橋跨度在國內排名第一、世界排名第二，跨度長達1700m的楊泗港長江大橋。隨著科學技術的不斷發展，橋梁設計也加入了新的科學理論、正在探索新的研究方法、開發創新新的高性能材料、施工工藝不斷推陳出新，在科學技術的強有力推動下，全世界必將有更多大跨度的橋梁在今后涌現。

1、抗風設計的必要性

現代橋梁的跨徑隨著時代發展需要正在逐步增大，其整體結構也趨向于質輕柔和，這使得橋梁對風荷載的作用就變得更加敏感。橋梁在設計風速下的抗風穩定性已經成為控制橋梁結構設計和現場施工的至關重要的因素之一。從1818年至今，全球有記錄的因風致振動被強風摧毀的大跨度橋梁就有近20座。這其中就包括1940年主跨853m風振致毀的美國塔科馬大橋，也就是從那時開始，橋梁設計者們才真正重視對大跨度橋梁進行抗風設計的研究。而我國在努力建成交通強國的道路上，對于如今交通工程的質量、舒適性、耐久性、安全性、經濟性、環保性等都提出了更高的要求。正因為如此大跨度橋梁對抗風性能的研究就顯得更為重要。

2、風致振動的類型

我們在研究橋梁風致振動的形態時，主要將其按照振動機理分為顫振、馳振、抖振與渦激振動四種主要形態。其中橋梁斷面的顫振和橋塔斷面的馳振同屬于氣動失穩現象，它是一種可能發散的自激振動，將會對橋梁自身結構產生破壞性的影響；渦激振動也可簡稱為渦振，它則屬于自限幅振動，通常渦振是在風速較低時產生，但它對橋梁結構產生的危害卻不容忽視，其可能產生的大幅振動將會嚴重影響橋上行車的舒適感，并且會加重橋梁自身構件的疲勞問題；抖振是一種強迫振動，抖振振幅隨風速的增大而增大，并且存在偏大的可能，特別對于處在海上的橋梁結構，常年平均風速較高外還伴隨臺風等極端天氣氣候，這會加重橋梁構件的疲勞問題。

3、抗風性能研究的方法

目前我們所采用的橋梁抗風研究方法主要是通過理論分析、風洞試驗技術與實橋測試三種。顫振、馳振和抖振都可通過采用建立相應數學模型的方式進行研究分析。而渦振因其復雜性，至今尚未有能完全準確反映其參數特征的數學分析方法。在理論分析后將通過風洞模擬試驗對橋梁的抗風性能進行更為直觀細致的研究。如渦振目前主要就是依賴于風洞試驗結果來進行判定分析。在大跨度橋梁初步設計階段，多采用造價低廉、方法簡單、結果相對準確的節段模型風洞試驗。全橋氣彈模型成本較高，結果較節段模型更為準確，多用于大跨度或抗風問題特別突出的橋梁抗風研究中。另外，實橋測試作為在橋梁發生風致災害時對實橋進行觀測和測量橋梁風致振動的主要參數和特征的研究方法，其對于橋梁的抗風設計具有很大研究價值。

而客觀地講，現行的理論分析、風洞試驗技術與實橋測試這三者之間也還存在著誤差，甚至相應試驗分析結論與實橋測試情況相悖。這說明在橋梁抗風研究領域我們仍然需要不斷地去探索、思考和反復求解驗證，以更科學的方式建立起更為準確的橋梁風振理論、更為精確的研究計算模型和更為簡便易行的試驗方法。

4、抗風設計方案

想要提高大跨度橋梁的抗風性能主要可以從結構措施（提高結構的整體剛度）、氣動措施（改善斷面的氣動性）和機械措施（增大結構阻尼）三個方面進行考慮。而根據不同的橋型所采用的提高其抗風性能的設計方案也不盡相同，由于各種風致振動的振動機理不同，僅采用一種措施往往只能抑制一種風致振動，對其它的風致振動的效果不佳，并不能達到提高橋梁整體抗風性能的效果。有時，采用某種措施在抑制某一種風致振動時甚至會導致其它類型的風致振動情況加劇。因此，采用何種橋梁抗風措施在抗風設計時需要結合橋梁周圍的自然風環境，自身結構截面的基本形狀，以及經濟、美觀、實用的要求進行整體綜合考慮，并最終通過風洞試驗的驗證來科學選擇的。在已建成的大跨度斜拉橋中都存在拉索風雨振動的問題，例如蘇通大橋、諾曼底大橋、上海長江大橋、仁川大橋等它們有采用拉索表面刻制凹坑、在拉索表面纏繞螺旋線或在拉索下端部安裝機械式阻尼器來減小拉索風雨振動的振幅。各懸索橋為提高自身抗風性能也采取了不同的措施，如香港青馬大橋采用了開槽以減少構件表面的壓力差，潤揚長江大橋采用的中央穩定板、大海帶橋采用的導流板、西堠門大橋采用的分體式鋼箱梁都是通過改善結構斷面的氣動外形來改善氣流繞流的流態，明石海峽大橋采用了開槽加穩定板形式的桁梁等抗風設計方案。上海盧浦大橋拱橋則采用全封閉隔流板的抗風設計方案。

結語：

如今，大跨度橋梁因其跨越能力強，在我國現代交通運輸系統中扮演著十分重要的角色。但其結構體系復雜，而抗風設計又作為大跨度橋梁結構的設計關鍵，今后，針對風振理論和大跨度橋梁的風振機理應該進行更加深入更加科學全面的研究分析，并積極推進如CFD等新技術的創新性研究工作，為大跨度橋梁的抗風性能設計提供有力支撐，助力我國早日建成交通強國。