橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)

李允

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 研究背景

風(fēng)對橋梁的危害是巨大的，作用在橋梁的方方面面。在大跨度橋梁歷史上因?yàn)轱L(fēng)的作用導(dǎo)致橋梁損壞及人員傷亡的例子屢見不鮮，其中以美國的塔科馬懸索橋造成的影響最為巨大。塔科馬懸索橋位于美國西北的華盛頓州，1940 年3 月通車，在通車使用時就在風(fēng)的作用下出現(xiàn)了非常強(qiáng)烈的振動情況，1970 年7 月橋梁在18m/s 的風(fēng)速下最終墜毀。

圖1 塔科馬懸索橋風(fēng)毀現(xiàn)場圖

此后又出現(xiàn)了一系列的橋梁在風(fēng)的作用下出現(xiàn)損壞的問題，這引起了橋梁設(shè)計(jì)工作者的極大關(guān)注與反思，抗風(fēng)設(shè)計(jì)也被納入橋梁設(shè)計(jì)的重要組成部分。

2 風(fēng)致振動的原因與類型

2.1 風(fēng)致振動產(chǎn)生的原因

橋梁因風(fēng)產(chǎn)生毀壞主要的因素是風(fēng)使橋梁產(chǎn)生各種類型的振動，橋梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的破壞，輕則橋梁部件損壞影響橋梁使用壽命，重則橋梁坍塌影響巨大。近年來橋梁風(fēng)致振動產(chǎn)生的原因主要有兩個方面：第一是橋梁建設(shè)使用的材料和本身結(jié)構(gòu)形式的原因。風(fēng)對橋梁產(chǎn)生靜力作用和動力作用，橋梁的箱梁、纜索等部件要具有一定的剛性、穩(wěn)定性和變形能力，以此可以傳遞減小風(fēng)的作用力，減弱風(fēng)對橋梁的影響。橋梁的結(jié)構(gòu)也是抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，當(dāng)風(fēng)氣流通過橋梁時，橋梁的斷面形狀可以影響風(fēng)流壓。對于橋梁來說，橫向風(fēng)是最危險(xiǎn)的一種，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否合理直接影響到風(fēng)對橋梁產(chǎn)生作用的大小。第二是風(fēng)致振動的觀念并沒有得到充分的普及，橋梁工程設(shè)計(jì)人員并未在設(shè)計(jì)之初就考慮到全面的抗風(fēng)措施，這種情況在近年來逐步得到改善。

2.2 風(fēng)致振動的類型

橋梁風(fēng)致振動主要有六大類型：

（1）顫振。風(fēng)經(jīng)過橋梁時，橋梁會產(chǎn)生振動并且從風(fēng)中吸收能量，這會引起橋梁的極大不穩(wěn)定從而損害橋梁的安全，這種破壞形式被稱為顫振。顫振具有明顯的危險(xiǎn)性，當(dāng)橋梁面臨的風(fēng)達(dá)到顫振臨界風(fēng)速時，橋梁持續(xù)不斷的從風(fēng)中吸收大量的能量，這是橋梁自身的機(jī)構(gòu)阻尼無法盡快的消耗減少這些能量，橋梁就會產(chǎn)生彎扭耦合顫振。顫振對橋梁的損害主要是機(jī)構(gòu)方面的破壞，橋梁的主梁具備一定的抗扭剛度，在輔助專門的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就會極大地減小顫振的出現(xiàn)。

（2）抖振。抖振也是風(fēng)致振動常見的一種病害，可以簡單地理解為紊亂的氣流風(fēng)流經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)伴隨紊亂的氣流開始抖動，這被稱為抖振。抖振的出現(xiàn)并不需要過高的風(fēng)速，一般抖振都是較低的風(fēng)速引起的，而正是這種過低的風(fēng)速會導(dǎo)致橋梁持續(xù)不斷的發(fā)生抖振，造成橋梁結(jié)構(gòu)的變形，危機(jī)橋梁的壽命。

圖2 抖振示意圖

（3）馳振。馳振是一種發(fā)散的橫向風(fēng)流經(jīng)結(jié)構(gòu)時，被結(jié)構(gòu)阻擋分流，然后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。馳振是一種特殊形狀橋梁截面結(jié)構(gòu)中才會出現(xiàn)的風(fēng)致振動，一般主要為擁有棱角的方形的截面中，在接近方形的截面中也會出現(xiàn)輕微的馳振。

圖3 馳振示意圖

（4）渦振。風(fēng)流流經(jīng)橋梁，橋梁的形狀斷面為鈍體結(jié)構(gòu)時，在橋梁的背面會產(chǎn)生一種漩渦形狀的氣流交替脫離，在產(chǎn)生這種交替脫落時會出現(xiàn)一種渦激力從而引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。

（5）靜力失穩(wěn)。這種風(fēng)致振動是風(fēng)速很大時出現(xiàn)的情況，當(dāng)風(fēng)速較高時，風(fēng)流經(jīng)橋梁被分割時其升力和阻力會聯(lián)合作用，這會導(dǎo)致橋梁喪失扭轉(zhuǎn)的剛度而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（6）尾流干擾。風(fēng)的氣流在流經(jīng)前后兩個柱體會相互干擾，這種干擾會作用在橋梁的結(jié)構(gòu)上，使橋梁發(fā)生一定的失穩(wěn)現(xiàn)象，橋梁上的行人及車輛也會感到一定的不適。

3 大跨度橋梁抗風(fēng)措施

針對風(fēng)對橋梁產(chǎn)生的振動損害，橋梁應(yīng)具有一定的抗風(fēng)措施以保證橋梁的使用壽命。現(xiàn)有的抗風(fēng)措施主要有兩類：結(jié)構(gòu)抗風(fēng)措施、氣動抗風(fēng)措施。

3.1 橋梁的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)措施

橋梁的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)措施根本理念是加強(qiáng)橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)剛性：

（1）增加橋梁的扭轉(zhuǎn)剛性這個在治理橋梁風(fēng)害時有極大的幫助且作用明顯，這個可以顯著的提高橋梁的穩(wěn)定性，具體應(yīng)用例如可以在修建懸索橋時對橋梁的主梁進(jìn)行加固并提高其高度。

（2）纜索同樣是橋梁抗風(fēng)的重要結(jié)構(gòu)，在纜索上假裝一些抗風(fēng)設(shè)施對于提高橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性也有一定的作用。

3.2 橋梁的氣動抗風(fēng)措施

在風(fēng)流經(jīng)橋梁時，風(fēng)對橋梁產(chǎn)生相互作用的力，這種抗風(fēng)措施主要從風(fēng)的角度入手，減小風(fēng)流的氣動影響。

（1）使用桁架形式的主梁。桁架具有非常好的透風(fēng)性，斷面面積小，承受風(fēng)的影響力小，從而提高橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（2）在主梁上加裝一些如風(fēng)嘴/導(dǎo)流板等設(shè)施，對風(fēng)流進(jìn)行引導(dǎo)，減小風(fēng)流作用力，提高主梁的抗風(fēng)性。

（3）在加勁梁中央開槽。這種方法便于操作，不會增加施工成本，又可以改變風(fēng)流特性，是一種較為優(yōu)秀的抗風(fēng)措施。

4 結(jié)論

近年來，我國的橋梁建設(shè)越來越多，橋梁的長度也越來越長，這種情況下抗風(fēng)設(shè)計(jì)就極為重要。在將來抗風(fēng)設(shè)計(jì)必然成為橋梁設(shè)計(jì)的重中之重，設(shè)計(jì)人員應(yīng)及早重視，并且不能單純的理論研究，應(yīng)以風(fēng)洞模型進(jìn)行更加深入的研究，進(jìn)一步完善橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論。我國橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究起步較晚，相關(guān)理論不夠完善，需要研究人員持之以恒，是我國的抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平盡快達(dá)到世界前列。