橋梁抗風(fēng)設(shè)計研究

谷子

[摘要]橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下的破壞現(xiàn)象是危害性巨大且對交通影響極為惡劣的現(xiàn)象。本文通過對于舊塔科馬大橋橋毀事故的回顧闡釋了橋梁抗風(fēng)設(shè)計的重要性，同時對橋梁在風(fēng)作用下的靜力作用和動力作用做出了說明。另外，本文通過從橋梁的結(jié)構(gòu)措施、氣動措施、機(jī)械減震措施三個方面說明了當(dāng)今橋梁抗風(fēng)的主要方法。

[關(guān)鍵詞]橋梁風(fēng)方程；杭風(fēng)設(shè)計；橋梁減震 文章編號：2095-4085（2018）06-0037-02

1 抗風(fēng)設(shè)計的重要性[1，2]

風(fēng)對橋梁產(chǎn)生的不利作用是多方面的。由風(fēng)引起的不同程度的橋梁振動會產(chǎn)生各種各樣的危害作用。當(dāng)振動達(dá)到人可以感知的范圍時會使使用者產(chǎn)生不安全感。劇烈的振動還可能造成橋梁毀壞并產(chǎn)生人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。橋梁的抗風(fēng)設(shè)計不是自古就有的，而是在一次又一次的工程經(jīng)驗和工程事故中總結(jié)得出來的。其中比較有名的是美國舊塔科馬懸索橋的風(fēng)毀事故（圖1）。

舊塔科馬大橋建于1940年，是一座懸索橋。該橋主跨為853m，寬為11.9m，加勁梁采用H型板梁，梁高2.45ma該橋纖細(xì)的橋型也成為了其之后風(fēng)毀的根本原因。

在剛通車使用的時候，舊塔科馬橋就表現(xiàn)出在風(fēng)的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈震動的情況，其振幅最大可達(dá)1.5m。4個月后，由于放置在跨中約束主纜和加勁梁之間位移的斜拉索的斷裂，舊塔科馬橋的振型突然發(fā)生了改變。在秒速18m的風(fēng)的作用下，其扭轉(zhuǎn)震動越來越強(qiáng)烈，主跨四分之一斷面以±45°的幅度反復(fù)翻轉(zhuǎn)。在震動持續(xù)數(shù)小時后橋梁終于斷裂，大部分加勁梁墜入河中。后續(xù)科學(xué)家證明舊塔科馬橋是由于發(fā)生了風(fēng)致顫振導(dǎo)致了最后的破壞。逐步研究表明大跨度柔性橋梁存在這多種形式的振動，如顫振、抖振、渦振、馳振等。

2 風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用

2.1 靜力作用

結(jié)構(gòu)保持靜止或其振動不影響空氣力，在穩(wěn)定的風(fēng)作用下的定常反應(yīng)稱為風(fēng)的靜力作用。

氣流的流速及方向不變，繞過固定的橋梁時就形成了一個定常的流場。空氣的作用力為空氣對橋梁表面的作用力，也是定常的。此時流場可以簡化為二維，空氣作用力分解為三個分量：

阻力D=v2CDAl2，

升力L=ρυ2CLA/2，

升力矩M=ρυ2CMAB/2，

CD，CL，CM為空氣力分量的靜力系數(shù)，

A，B為橋梁的迎風(fēng)投影面積和橋?qū)挕?/p>

2.2 動力作用

顫振：在風(fēng)的作用下，振動的橋梁不斷地吸收風(fēng)的能量，使其振幅逐步增大，最后是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的振動形式。

馳振：橋梁不斷吸收風(fēng)的能量，是非扁平截面細(xì)長鈍體結(jié)構(gòu)的振幅逐漸增大的發(fā)散性自激振動。

渦激共振：由交替變化的渦激力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。氣流在繞過橋梁時發(fā)生旋渦脫落，當(dāng)其接近橋梁的自振頻率時即產(chǎn)生渦激共振現(xiàn)象。

抖振：由短周期脈動風(fēng)的紊流成分所激發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動。

3 橋梁的抗風(fēng)設(shè)計理念

橋梁抗風(fēng)設(shè)計的基本理念是保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)久耐用，應(yīng)包含以下內(nèi)容：

（1）在設(shè)計使用年限內(nèi)不出現(xiàn)嚴(yán)重的自激發(fā)散振動。（2）在設(shè)計使用年限內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)靜力失穩(wěn)現(xiàn)象。（3）采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。

另外就橋梁的抗風(fēng)問題而言，橋梁的設(shè)計風(fēng)速要在其臨界風(fēng)速基礎(chǔ)上保留足夠的安全余量。在橋梁的初步設(shè)計方案不能滿足抗風(fēng)要求時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目癸L(fēng)制振措施，最大程度的提高橋梁的抗風(fēng)性能。

4 橋梁抗風(fēng)措施

橋梁的抗風(fēng)措施可以從三個方面考慮：橋梁的結(jié)構(gòu)措施、空氣動力學(xué)措施、機(jī)械減振措施。

4.1 橋梁的結(jié)構(gòu)措施

橋梁的結(jié)構(gòu)措施的理念是加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，增大結(jié)構(gòu)的固有頻率以達(dá)到提高橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性的目的。具體措施如下：

（1）非流線型截面橋梁提高其截面扭轉(zhuǎn)剛度可以有效提高其抗風(fēng)穩(wěn)定性，例如在懸索橋中增大主梁高度等。（2）調(diào)整加勁梁和主梁的相對位置，增加特定豎向和斜向的交叉索。

4.2 橋梁的氣動措施

在繞流過程中，氣流與橋梁截面產(chǎn)生相互作用力，采取相應(yīng)氣動措施可以降低其影響：

（1）采取桁架形式主梁。桁架形式橋面主梁透風(fēng)性能良好，同時抗扭剛度較高。（2）設(shè)置風(fēng)嘴。設(shè)置邊緣風(fēng)嘴可以改善繞流形態(tài)，減弱渦振帶來的影響。（3）加裝導(dǎo)流板。在風(fēng)速較低時導(dǎo)流板可以有效改變結(jié)構(gòu)周圍得到流場狀態(tài)，達(dá)到調(diào)整結(jié)構(gòu)運動的目的。（4）在加勁梁中央開槽。中央開槽一方面可以改善風(fēng)流特性，另一方面又可增加透風(fēng)面積。

4.3 橋梁的機(jī)械減振措施

在氣動措施采用無法達(dá)到設(shè)計要求時可以采用機(jī)械減振措施。

調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器一般多安裝在高層建筑中，其自重很大。當(dāng)有外力作用于建筑時，調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器通過產(chǎn)生與建筑相反方向的擺動達(dá)到減振的目的。調(diào)諧質(zhì)塊阻尼器現(xiàn)已在很多橋梁上面得到了應(yīng)用，在減輕渦激共振、抖振中起到了很好的作用。

5 結(jié)語

近年來我國掀起了大型橋梁的建設(shè)熱潮。橋梁的跨度越長，橋型偏于細(xì)長，越需要在抗風(fēng)理論和抗風(fēng)制振措施設(shè)計上下功夫。同時，設(shè)計人員還應(yīng)該將理論和實際緊密聯(lián)結(jié)在一起，運用風(fēng)洞實驗技術(shù)和數(shù)值風(fēng)洞模擬對新型抗風(fēng)策略進(jìn)行更加深入的探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]王英偉.橋梁抗震、抗風(fēng)設(shè)計理念及方法研究[J].抗震研究，2016，（04）：492-495.

[2]張新軍.橋梁風(fēng)工程研究的現(xiàn)狀及展望[J].公路，2005，（09）：27-32.