大跨度鋼拱橋H型吊桿抗風分析

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400041)

一、風荷載對橋梁的影響

近年來，我國橋梁建設取得舉世矚目的成就，無論是橋梁的數量還是已建成橋梁的跨度都穩居世界前列。同時對橋梁工程的災害防治也不得不引起重視，其中風荷載的就是不得不考慮的破壞因素之一。橋梁作為跨越江河的重要交通設施也經常受到風的威脅和破壞。經過一系列的橋梁垮塌事故后，人們開始重視橋梁結構的抗風設計。

在橋梁工程中，風荷載引起的振動形式主要有四種，即顫振、馳振、抖振和渦旋共振。顫振指物體在一定勻速氣流中由于幾種力的多重作用而發生的振幅不衰減的自我振動。顫振是一種扭轉發散震動或者彎扭發散震動，常導致災難性的結構破壞。

馳振指細長結構因氣流自激作用發生的純彎曲大幅振動。橋梁抖振是一種重要的風致振動現象，其主要是由自然風在結構上施加一個非定向荷載引起的結構強迫性振動，這種振動是一種限幅的振動，在風速較低的情況下經常發生。需要指出的是抖振作為一種限輻振動，不會引起結構的災難性破壞，但如果其發生頻率過高會造成結構疲勞，發生疲勞破壞。

渦激振動和抖振很相似都屬于限幅振動，都不會造成構造物的災難性結構損傷，在風速情況下較低的時有發生。

二、拱橋的發展

我國的拱橋始建與東漢末年，雖然相比于西方國家來說起步較晚，但是古代我國的石拱橋建造技術卻代表了當時的最高水平。隨著材料、施工工藝以及結構體系的發展，拱橋的跨越能力越來越大。根據理論計算，混凝土的極限跨越能力可以達到500m，而鋼拱橋的極限跨越能力更是可以達到1200m。

我國早期的石拱橋建造技術主要根據經驗積累，并沒有形成如今的成熟的計算理論。地方不同，地勢結構不同，承重需求也不一樣，所以說構造的尺寸也不一樣。

鋼筋混凝土拱橋相比以前的石料和木材等材料擁有很大的優勢，它自身的重量比較小，跨越能力比較大，充分利用了混凝土和鋼材的優勢，使得拱橋的經濟性能大大提高。1997年建成的萬州長江大橋是當時世界上最大的鋼筋混凝土拱橋。

隨著對橋梁跨越能力要求的不斷增強，越來越多的地方開始建造鋼拱橋，比如2009年建成的重慶朝天門大橋，主跨為520米，它是目前世界上主跨最大的鋼拱橋。

三、拱橋H型吊桿受風荷載影響

拱橋相對于斜拉橋和懸索橋來說，其剛度較大，穩定性較好，理論上受風致振動的影響要小些，但是在中承式和下承式拱橋中，由于剛性吊桿的存在，經常會受到風荷載的破壞，所以風致振動在帶有系桿或者吊桿的鋼拱橋中不得不深入考慮。

(一)拱橋風荷載的特點

拱橋的主要受力構件是拱肋，拱肋上的平均風速隨著橋梁高度呈現規律性變化。通常情況下，纜索稱重橋的主梁截面大都是規則的等高度的截面形式。在拱橋中，拱腳受力較大，在跨中較小，拱橋截面的氣動參數隨著橋梁跨徑的不同其參數的數值是不一樣的。不同拱橋結構的拱肋截面形式差異較大，因為拱肋截面較鈍，其氣動參數的值和普通的流線型橋梁斷面不一樣。在風的作用下最容易引起的一種振動破壞就是渦激振動。

(二)H型吊桿的風致振動效應

H型吊桿顧名思義即為截面為H型的剛性吊桿。由于自身有很多優點，它的制作和養護比較方便，因此市面上運用得很多。然而，這種不光滑截面形式的鋼結構桿件，細長，單位截面風阻小，故而構件氣動穩定性差，在風荷載作用下容易發生振動破壞，更為嚴重的將影響橋梁結構穩定。

H型吊桿最常見的風荷載破壞就是渦激振動，H型吊桿不同于圓形吊桿，截面是一個鈍截面，當風荷載以一定速度經過吊桿表面時，風流會在截面兩側形成漩渦。H型吊桿屬開口薄壁桿件，其微圓扭轉受力如圖：

圖1 H型吊桿微元扭轉受力

根據其受力分析可得微元扭轉平衡方程：

圖2 微元扭轉平衡方程

四、改進措施

H型風致振動措施主要有氣動措施、阻尼措施和結構措施。第一種是氣動措施：主要做一些實驗對吊桿截面做出一些改變，例如風動實驗，從而改善抗風能力；第二種是阻尼措施：主要是安裝阻尼器，減小吊桿初始振動的值；第三種叫結構措施：主要是通過改變結構剛度，提高自身的自振頻率。

通過科學研究表明，抗風索根數、抗風索道數、安裝位置、邊界條件和初張力的大小對吊桿抗風均有影響，他們大概影響程度：抗風索根數>抗風索道數>安裝位置>邊界條件>初張力。

五、結論

風致振動對懸索橋和斜拉橋中影響特別大，雖然拱橋的剛度較纜索承重結構橋梁較大，結構較為穩定，但是在H型吊桿的拱橋中產生了較為明顯的破壞，通過水平抗風索有效解決了這一問題，但這并不是唯一的途徑。隨著新材料的不斷出現以及結構受力體系的不斷完善，對于H型吊桿拱橋風致振動影響必定會出現更好的解決辦法。