橋梁風工程研究方法的現況

(華南理工大學 土木與交通學院 廣東 廣州 510000)

大跨度橋梁風振問題按結構振動形式分為五類，即抖振、顫振、渦振、馳振和斜拉索風振。本文對抖振、顫振、渦振這三個風致振動問題的研究現況及研究方法介紹。

一、抖振

最先研究橋梁抖振問題的學者是Davenport，其后Scanlan和Lin等眾多學者對此也進行了大量的研究。結構抖振響應分析方法一般可分為頻域法和時域法兩類以及基于頻域的可靠度研究。

(一)抖振的頻域分析方法。Davenport最早將概率統(tǒng)計的方法引入到橋梁結構的抖振響應分析中，應用隨機振動理論來分析橋梁抖振響應的方法開辟了橋梁氣動彈性研究的新領域，并成為至今人們研究抖振問題的主要方法之一，在他的理論中提出了氣動導納的概念來修正其按標準定常氣動力模型計算的誤差為了修正準定常氣動力的誤差，引入了氣動導納函數。Scanlan在Davenport建立的顫振分析理論基礎上，提出了考慮結構自身運動引起的自激力以及自然風產生的抖振力同時作用下的顫抖振分析理論，在他的理論中特別強調了氣動自激力在抖振中的參與效應。

(二)抖振時域分析方法。時域分析方法由三部分組成：流風場模擬、氣動力計算和響應、時域分析。由于風工程不叫復雜而且理論不成熟，主流對時域分析方法也可以分為三種：第一種方法：Kovacs和Santos直接以準定常假定為基礎進行氣動力時域列式，并考慮了瞬時有效攻角和瞬時相對風速的影響的方法；第二種方法：項海帆、劉春華基于Scanlan的方法，將作用在主梁上的氣動力分解為靜風力、抖振力和自激力三項；第三種方法：Yang的研究基本沿用了上述思路和處理方法，但在風場模擬中提出了更為有效的修正諧波合成法。

(三)大跨度橋梁抖振動力可靠度。結構動力可靠度理論是近年來發(fā)展起來的隨機振動理論的一個分支，大跨度橋梁抖振動力可靠度研究是結構動力可靠度理論在橋梁風振領域的應用和發(fā)展。橋梁風振動力可靠性可定義為：在隨機風荷載的作用下，橋梁結構的可靠性。橋梁風振動力可靠度是指在隨機風荷載作用下，在給定時間內不發(fā)生破壞或失效的概率。主要思路是開展橋梁抖振分析以得到抖振響應的頻域統(tǒng)計信息，結合結構動力可靠度理論再分析抖振動力可靠度。由于該思路的最大優(yōu)點是能夠與動力可靠度理論聯(lián)系起來，所以目前國內學者主要采用頻域方法研究抖振響應問題，進而研究抖振動力可靠度。

二、顫振

橋梁顫振是一種由彈性力、慣性力、阻尼力和空氣自激力共同作用引起的現象。其振動為是發(fā)散的，故顫振一旦發(fā)生，將導致結構整體的徹底破壞，因此橋梁設計中必須避免結構在使用過程中發(fā)生顫振。顫振的研究方法分為：理論分析法、直接試驗法、理論與試驗結合的方法、橋梁顫振可靠度研究。

(一)顫振的研究方法。理論分析法：確定性分析相應的分析理論或方法大致可分為二維經典禍合顫振理論，二維分離流顫振理論和三維有限元分析方法頻域和時域分析方法。

直接試驗法：到目前為止，還不能用純數學的方法精確描述風繞過橋梁時對橋梁的作用力。因此，直接的風洞試驗方法就成為了橋梁顫振研究的一種有效的方法。根據試驗中采用的模型形式，橋梁顫振的風洞試驗可分為節(jié)段模型試驗、拉條模型試驗和全橋氣彈模型試驗。

理論與試驗結合的方法：由于橋梁確定性分析理論的發(fā)展，基于Scanlan對Theodorson理論為基礎的改進，使得理論和試驗相結合這一方法的誕生。基于Scanlan的分離流顫振理論，可以建立橋梁系統(tǒng)的動力學方程，通過頻域或時域的方法求解出顫振臨界風速。

橋梁顫振可靠度研究：大跨度橋梁顫振可靠度的研究歷史較短，研究成果較少，目前世界上僅有幾座重要的橋梁采用了可靠度研究方法。目前橋梁顫振可靠度分析中采用的極限狀態(tài)方程主要有兩種：一種是上文中Ostenfeld建立的在顫振分析中建立的顫振可靠度分析的極限狀態(tài)方程；第二種是同濟大學葛耀軍等提出的橋梁顫振可靠度分析的極限狀態(tài)方程。

三、渦激振動

當大氣邊界層中近地風繞過橋梁時，可能會產生流動分離和周期性的旋渦脫落，使結構上下或左右兩側表面出現交替變化的正負壓力和力矩，稱為渦激力。渦激力可能會引起結構橫風向或扭轉方向有限振幅的振動，稱為渦激振動，也叫渦振。渦振雖然不會像顫振一樣導致橋梁災難性的破壞，但是它在低風速下也會發(fā)生，發(fā)生頻率高，有可能導致桿件裂紋或疲勞破壞，影響行車的舒適性和安全性。

(一)渦激振動的研究方法。目前主要采用四種方法，即理論分析、風洞試驗、現場實測和數值風洞研究橋梁結構渦振問題。

理論分析：理論分析的理論基礎是結構振動理論。理論分析方法作為一種研究手段，需要有實測或者風洞試驗結果為基礎，來檢驗和校核其計算的準確度。主要代表有以下幾種：簡諧力模型、力振子模型、經驗線性模型、經驗非線性模型、Larson模型。在確定了渦振數學模型之后，即可利用該模型實現對結構渦振分析。

風洞試驗：風洞試驗是在實驗室中模擬大氣邊界層的實際風環(huán)境和實際結構，是一種通過模型風效應來考察實際結構風效應的方法。該方法是目前使用最普遍的方法。

現場實測：現場實測是利用儀器在現場對實際風環(huán)境及風振響應進行測量，是研究風荷載和風振響應問題最直接和最可靠的手段，也是對橋梁風工程研究的一項非常重要的基礎性工作。然而現場實測仍然存在不足之處，主要表現在：①獲得詳細的測量數據比較困難；②投資較大；③測得數據有時不理想，分析處理實測數據過程復雜，在實際研究中應用較少。

計算風工程：計算風工程是研究學者基于空氣動力學原理，采用計算流體力學技術，使用數值模擬方法計算大氣邊界層中鈍體繞流而形成的一門交叉研究方向。計算風工程的核心內容是計算流體動力學。數值風洞方法與直接風洞試驗相比較，有其優(yōu)越性。現階段主要包括3種模擬分析方法：雷諾平均N—S模擬(SANS)、大渦模擬(LES)和直接數值模擬(DNS)。

四、小結

隨著橋梁工程理論的發(fā)展，對相關的學科帶來更多的挑戰(zhàn)，也要求橋梁風工程這一學科需要不斷發(fā)展發(fā)展。橋梁風工程是一門很復雜的學科，還有很多問題需要克服，這里只提及對橋梁風工程中的幾個大的問題及分析方法，其中的每一項研究都是學者們花費了很多的心血。目前理論還沒有完備，隨著計算機等的發(fā)展，基于可靠度理論的方法和計算風工程的方法都需要進一步的研究。

[1]李明水,大跨度橋梁抖振響應的頻域分析,2000,空氣動力學學報.

[2]項海帆，結構風工程研究的現狀和展望，1997，空氣動力學學報.

[3]葛耀君，隨機風荷載作用下的橋梁顫振可靠性分析，2003，土木工程學報.

[4]姜天華，大跨度橋梁風致振動控制研究，2009，武漢理工大學.

[5]許福友，丁威，姜峰，張哲，大跨度橋梁渦激振動研究進展與展望，2010，振動與沖擊.