橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制與設(shè)計要點分析

焦夢瑩 張 浩

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動

通常將橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動劃分為限幅振動和發(fā)散性振動；限幅振動又包括抖振和渦激振。抖振指的是橋梁在風(fēng)速的影響下被迫振動，一旦發(fā)生渦激振的話則會引起巨大的破壞。尤其大跨度的橋梁建設(shè)中的吊桿、斜拉索、懸索橋在施工階段均容易發(fā)生渦激振。通常由于不對稱的脫落旋渦形成橫向風(fēng)的渦激力，嚴重影響橋梁的穩(wěn)定性。同時氣流中的彈性體自身會發(fā)生變形或者振動，并隨著氣流的變化而變化［1］。風(fēng)振控制措施的實施需要結(jié)合橋梁的不同部位采取相應(yīng)的方法，利用外部能源的瞬時力量加強控制，以期改變橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，結(jié)合各項先進的控制要點對橋梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理，提升橋梁建設(shè)的穩(wěn)定性。

2 分析橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制設(shè)計要點

2.1 做好前期的準備工作

在橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要充分考量臨界風(fēng)速帶來的風(fēng)顫，需要嚴格控制抖振的幅度值，深如了解橋梁建設(shè)各階段的抗風(fēng)性能，加強對設(shè)計方案的制定。由于不同區(qū)域風(fēng)力大小存在差異性，相關(guān)風(fēng)振控制設(shè)計人員需要深入實地進行考察，收集數(shù)據(jù)資料，保證最終的設(shè)計方案與預(yù)期效果保持一致性，詳細考察周邊的地形地貌，并形成記錄，進行后期的數(shù)據(jù)對比分析；根據(jù)數(shù)值參數(shù)相應(yīng)的調(diào)整設(shè)計方案，盡可能提升橋梁風(fēng)振控制設(shè)計的合理性和科學(xué)性。

2.2 動力特性

設(shè)計人員需要結(jié)合橋梁建設(shè)的動力特征，構(gòu)建動力模型進行風(fēng)振分析，并將實際收集的數(shù)據(jù)信息進行比較，提升模型建立的可行性和檢驗結(jié)果的精確性，確保最終將風(fēng)振數(shù)值控制在最小范圍內(nèi)，提升橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性，更好滿足橋梁的設(shè)計初衷，提升人們出行需求以及對橋梁的安全性要求。

設(shè)計人員需要采用多種風(fēng)力環(huán)境設(shè)計方法，加強對風(fēng)荷載力的試驗及橋梁的穩(wěn)定性試驗，在多種方案中篩選最佳的施工方案［2］。通過建立科學(xué)的動力模型獲取正常的設(shè)計取值，提升最終設(shè)計的可靠性。

2.3 臨界風(fēng)速

臨界風(fēng)速直接關(guān)系到橋梁風(fēng)險系數(shù)，且臨界風(fēng)速是橋梁發(fā)生顫振的主要原因，設(shè)計人員需要嚴格考量風(fēng)速的大小帶來的風(fēng)險，最大程度上減弱橋梁的振動。根據(jù)紊流風(fēng)分析橋梁的抖動現(xiàn)象，并作出正確的預(yù)測，保障橋梁的穩(wěn)定性。

3 加強橋梁風(fēng)振控制設(shè)計的有效措施

3.1 結(jié)構(gòu)措施

具體實施結(jié)果措施時，要明確把握橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能，控制好橋梁的臨界風(fēng)速和振動幅度，可以通過對懸索橋添加約束裝置的方式增加橋梁的穩(wěn)定性，帶來多振型耦合，增大現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力。通過提升橋梁剛度加固其牢固性能，不斷提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，基于橋面容易發(fā)生顫振現(xiàn)象，加強扭轉(zhuǎn)截面剛度，能夠有效降低橋梁的斷面的震動現(xiàn)象。由于現(xiàn)有的阻尼有限，通過提高阻尼的初始結(jié)構(gòu)，減少橋梁的振動。

3.2 氣動措施

要想有效降低氣流對橋梁界面的影響，要充分考慮氣動外形對氣流作用力的影響。考量風(fēng)荷載性質(zhì)對橋梁震動的影響，在橋梁的預(yù)定功能不變的情況下，采用改良橋梁外形的方法減小橋梁振動。部分學(xué)者研究說明使用空氣動力學(xué)難以全面的進行橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析，需要通過更多的風(fēng)洞實驗進行氣流作用力研究，通過增強橋梁的不同截面進行振動參數(shù)的測試，將界面中的穩(wěn)定性截面進行對比；截面形狀的裙板和風(fēng)嘴設(shè)計至關(guān)重要，確保氣流通過該部位時，減少渦脫現(xiàn)象。為最大限度提升橋梁的穩(wěn)定性，要嚴格控制橋梁端面的懸臂型，保證懸臂長度和橋梁長度保持一致。為降低風(fēng)速的頻率，可以在橋面位置開槽透風(fēng)，從而保證氣動的穩(wěn)定性。通過增加一定數(shù)量的抑流板、導(dǎo)流板，控制氣流動態(tài)，最大化減弱橋梁的振動現(xiàn)象。

3.3 機械措施

機械措施包括主動控制措施、半主動控制、混合控制。主動措施較比氣動措施效果更加明顯，能夠有效減弱橋梁的振動頻率，利用外部能源進行外荷載力控制，降低橋梁結(jié)構(gòu)振動頻率，實時進行結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，在氣動模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，提升風(fēng)振控制能力，并將主動控制反饋在反饋機制中，減少其他因素的干擾。半主動控制是指通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制進行原理實施，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)能力。半主動控制器是將機械式主動調(diào)節(jié)器與橋梁剛度相輔相成，通過減少阻尼參數(shù)，主動的利用結(jié)構(gòu)振動變形和速度加以控制。

混合控制是將主動控制與被動控制相融合，規(guī)避控制中的缺陷，充分發(fā)揮混合模式的優(yōu)勢，利用制動控制優(yōu)勢進行風(fēng)振控制，利用半主動控制方式降低橋梁振動中消耗的能量。基于風(fēng)振工作性質(zhì)的差異性，在具體進行設(shè)計時，要明確考慮具體風(fēng)振控制措施的實際運用情況，基于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的美感角度考慮，必須通過大量的風(fēng)洞試驗選擇風(fēng)控措施。

4 結(jié)語

綜上所述，基于橋梁結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，風(fēng)振控制直接關(guān)系到橋梁設(shè)計的安全性，通過對風(fēng)振控制設(shè)計，探究出結(jié)構(gòu)措施、氣動措施、機械措施能夠有效改善橋梁的風(fēng)振現(xiàn)象，提升橋梁施工建設(shè)的安全性，為相關(guān)橋梁設(shè)計者提供一定的參考，推動我國橋梁建設(shè)工程良性發(fā)展。