虎門大橋風致振動U-TRIZ分析及解決方案探討

張曉利 趙敏

摘 要：以我國虎門大橋出現橋梁渦振現象為例，列舉了橋梁風致振動成因和振動類型，針對虎門大橋的風振問題進行功能分析，并對世界范圍內橋梁風致振動案例進行解析，從而提出橋梁風致振動U-TRIZ解決方案。

關鍵詞：懸索橋;風致振動;橋梁渦振

中圖法分類號：U441.3;U448.25 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0308

2020年5月5日下午，我國虎門大橋出現橋梁渦振現象，當日風力5至6級，最高達到6級（6級風速為10.8～13.8m/s）。直至6日凌晨，虎門大橋仍有肉眼可見的輕微振動。12日，專家權威發布大橋振動原因，并表示關鍵橋梁構件未發生異常，橋梁結構總體安全。16日，虎門大橋恢復通航。虎門大橋是連接廣州市南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋，為珠江三角洲地區環線高速公路重要組成部分，于1997年建成通車，防撞等級為30MN，防震等級為7級，防臺等級為61m/s，車流量大，常處于飽和狀態。

1 ?橋梁風致振動成因和振動類型

此次虎門大橋的振動是由于風致引起。為了避開超深水基礎的施工困難和滿足超大型船舶的通航要求，同時考慮施工和造價問題，國內外大力興建大跨徑鋼構橋，橋梁結構向著跨度更大、更柔性的方向發展。如表1所示。

表1 ? ?國內外大跨徑橋梁

更大跨度、更加柔性的橋梁結構會使橋梁周圍空氣繞流對稱性的破缺更容易誘發橋梁振動。僅從1818年到19世紀末，世界上由風引起的橋梁振動已至少毀壞了十多座懸索橋。2010年5月，俄羅斯伏爾加河大橋發生離奇晃動，橋面呈浪型翻滾，出現較為明顯的左右晃動，另外法國的Brotonne橋、丹麥的Faro橋、日本的名港西橋以及我國的上海楊浦大橋、武漢長江二橋、南京長江二橋的拉索均發生過振幅很大的風致振動。

大量研究和實踐表明，大跨徑懸索橋風致振動是正常現象，長期振動將造成結構件疲勞損壞，只能設法抑制和減少，但是無法全部消除。對于大跨度橋梁主梁（橋面）來說，風致振動主要包括渦振、顫振、抖振、馳振。橋梁風致振動有兩大類，強迫振動和自激振動;強迫振動又可以導致顫振、弛振和渦振，自激振動可以產生渦振和抖振。

一般來說，當橋梁結構與空氣振動耦合程度不高，或者橋梁結構振動影響較小時，主要導致橋梁結構的強迫振動——隨機抖振;當空氣與橋梁結構相互影響巨大，受振動結構反饋作用的空氣力則主要表現為一種自激作用，導致橋梁結構的自激振動——顫振或者馳振。

（1）顫振

橋梁顫振是一種空氣動力失穩現象。風的動力作用激發了橋梁結構的振動，振動的結構又反過來影響空氣的流場、改變空氣力，形成了風與結構的相互作用機制。當結構通過氣流的反饋作用不斷從氣流中獲取能量，該能量又大于系統因機械阻尼所耗散的能量時，引起結構發散振動，這種空氣動力失穩現象就是橋梁顫振。

（2）抖振

抖振主要由大氣中的紊流成分（即脈動風）所激起，是一種隨機強迫振動。雖然是一種限幅振動，但由于發生抖振的風速低，頻率大，會導致結構局部疲勞，影響行人和車輛行駛安全。隨著橋梁跨度的增加，結構的柔性增加，抖振也會相應增大;且隨著風速的增大，抖振相應（振幅及結構內力）會成倍增大。

（3）馳振

馳振是對于非圓形的邊長比在一定范圍內類似于矩形斷面的鈍體結構及構件，由于升力曲線的負斜率效應，微幅振動的結構能夠從風流中不斷吸收能量，當達到臨界風速時，結構吸收的能量將克服結構阻尼消耗的能量，形成一種分散的橫風向單自由度彎曲自激振動。

（4）渦激振動

同抖振一樣，渦激振動是橋梁在脈動風荷載作用下發生的限幅振動。渦激振動是由于風流經各種斷面形狀（圓形、矩形、多邊形等）的鈍體結構時有可能發生漩渦的脫落，出現兩側交替變化的渦激力。當渦激脫落頻率接近或等于結構自振頻率時，由此激發出結構共振。

上述振動現象中，對大跨度橋梁產生較大危害的是顫振和渦振。

拉索橋或者懸索橋是一種主梁（橋面）、支承塔柱受壓、拉索受拉的結構體系，是一種由索、塔、梁三種基本構件組成的組合結構，都是承重構件。斜拉橋的結構體系決定了橋塔、拉索、主梁（橋面）三者相互影響，塔和梁借橋塔引出的斜拉索聯結成整體結構，斜拉索作為加勁梁跨間的彈性中間支承，其風致振動具有較強的組合效應。橋塔結構高聳、構形尺寸大、相對輕柔。現代斜拉橋多采用密索結構，拉索輕柔超長，重量輕，而斜拉索長短不一，降低了梁跨的載向彎矩，其固有頻率的涵蓋范圍較寬泛，風致振動可能激發拉索的參數共振，拉索的風荷載與主梁（橋面）風荷載是兩種主要風致振動組件，有時拉索的風荷載更為劇烈。如圖1所示。

2 ?虎門大橋風振U-TRIZ功能分析

虎門大橋是當時中國國內規模最大的公路橋梁，也是中國首座加勁鋼箱梁懸索結構橋梁，其主跨長度居當時中國同類橋梁中的第一位，副跨長度居當時世界同類橋梁中的第一位。虎門大橋橋面凈寬30m，設計速度為120km/h，道路規模為雙向六車道，設中央分隔帶和緊急停車帶，通行能力為12萬輛次（小型客車）/d，防臺等級為61m/s。虎門大橋在中國國內首次采用GPS實時三維位移監測系統工程，橋裝配了多通道強震動監測系統與報警系統，可實時監測橋梁結構振動狀況和記錄橋梁在地震時的反應。

2.1 ?虎門大橋技術系統和超系統

U-TRIZ是由趙敏、張武城等為首的一批中國TRIZ研究者，在分析、比較了多個國際TRIZ流派的理論要點后，以經典TRIZ和部分現代TRIZ的精華為基礎，合理取舍重組，結合客觀世界中的“三元論（物質、能量、信息）”，經過理論創新后提出來的TRIZ理論分支。“以功能為導向，以屬性為核心”是該理論的精華和與眾不同之處。在分析解決疑難復雜問題上有較大優勢。

功能是把“發出動作的主體”去掉后，僅保留了“動作”和“作用對象”的一個抽象概念。功能分析是按照功能的基本定義，來建立所有系統組件模型相互作用的一種分析方式，通常分析的結果是要畫出“功能分析圖”。為了畫好功能分析圖，通常需要先明確發生問題的具體場景，以圖示的方式清晰表示所分析對象（技術系統）的基本組成和與環境（超系統）之間的關系。虎門大橋技術系統和超系統組件，如圖2所示。

應用U-TRIZ的功能分析，建立虎門大橋系統組件模型，即列出組成技術系統、子系統的各個組件以及相關的超系統中所有參與作用的組件，描述出各組件的系統所屬關系。基于系統組件的相互關聯性，系統應該至少由兩個系統組件（子系統或元件）所構成，如圖3所示。

虎門大橋主航道橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁懸索橋，為連續剛構梁式橋，由東西索塔、東西錨碇、主纜、吊索和加勁梁等五大結構部分組成。虎門大橋主纜主跨徑888m，主纜直徑687.2mm（孔隙率20%）;每根主纜由110束索股組成，每束索股含127根直徑5.2mm鋼絲，一般標準索股重34.8t。大橋吊索直徑52mm、間距12m，邊吊索距塔中心18m。大橋加勁梁箱梁寬35.6m，橋軸中心處梁高3.012m，橋面鋪設6cm厚瀝青混凝土;兩橋塔處伸縮縫最大伸縮量為1.5m。東西索塔的每個塔樁底分別由16根直徑為2m、12根直徑為2m的鉆孔灌注樁組成;東西索塔從基頂面算起高147.55m、從橋面算起高89.66m;塔柱頂平面為邊長5.6m正方形、底平面尺寸為5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下系梁為界分別為0.6m、0.75m和0.95m;東西錨碇承受主纜拉力分別為2×172600KN、2×174400KN。

氣流（風）、重力、江水和地基（江床）共同構成了虎門大橋的超系統環境。

2.2 ?虎門大橋的系統組件及相互作用分析

系統結構模型是在已經列出了所有必要的系統組件模型的基礎上，描述各組件之間的相互作用關系——人字網格交叉線。遍歷每兩個組件之間可能的相互作用關系，如圖4所示。

2.3 ?虎門大橋的系統功能模型

應用U-TRIZ的系統功能模型分析，在系統結構模型的基礎上，進一步識別其功能類別，并用不同的連線和箭頭來把所有的系統組件之間所存在的功能，以“SVO/VOP”的標準格式表示出來，畫出系統功能模型圖。

系統功能模型圖是輔助我們進行功能分析、發現并消除不良功能的圖示化工具。對從分析過程中所發現的系統中的有害功能必須首先予以消除;對于充分有用的功能必須予以確保實現或者予以增強。虎門大橋無風時的系統功能模型，如圖5所示。

2.4 系統組件的屬性分析

橋梁是處于大氣邊界層中的結構物，在自然風的作用下將產生振動響應，甚至造成結構毀壞、疲勞或過大變形及內力等問題。本文中主要針對虎門大橋的風振問題進行功能分析，因此，針對振動的肇事者：風（功能載體）進行屬性分析、風與橋梁組件的相互作用以及相互作用中產生的新屬性分析。

（1）風的自然屬性

風力是空氣通過建筑結構所產生的空氣動力現象，風災是自然災害的主要災種之一，風的自然屬性包括風力、風向、風量、風壓以及交變性，風致振動的成因必須從風的屬性入手，反復的風振動作用會導致橋梁結構或者結構件的破壞，與結構物的幾何形狀有密切關系。實際中常把風分為平均風（穩定風）和脈動風（陣風脈動）加以分析。平均風是風對橋梁結構物作用力的速度、方向均不隨時間而改變的物理量;脈動風則是由于風的不規則性引起的，其強度和頻率等屬性參數是隨時間按隨機規律變化的。如圖6所示。

（2）風與橋梁組件相互作用產生的新屬性

在風場中，風對橋梁結構造成的風荷載導致橋梁結構產生撓曲變形，這種撓曲實際上改變了流體流動的走向，從而改變了橋面不同截面的壓差，造成橋梁風致振動，而振動起來的橋梁又可能反過來改變周圍空氣和壓力，反過來又影響橋梁形變，這樣形成了風與橋梁結構的耦合相互作用。因此，研究風對橋梁結構的動力作用主要就是研究氣動力和橋梁結構運動之間的相互作用。例如：風的交變氣流，對風中的物體，產生多種流體作用力，如卡門渦街效應。如圖7所示。

在滿足橋梁承載力和結構穩定性的前提下，出于成本的考慮，相對于跨度而言，斜拉橋一般都設計得輕巧柔細，因此在力學本質上斜拉橋屬于一種高度柔性結構，因此橋梁的大跨度柔性結構必須考慮非線性因素計算和分析。如圖8所示。

斜拉橋輕柔的主纜、吊索隨風擺動帶動吊索底端上下起伏、風致擺動起伏都強烈地體現了橋梁柔性結構的非線性。在使用荷載作用下，斜拉橋各構件截面應力基本上仍處于彈性范圍內，但斜拉橋往往已經產生了較大的結構變形，整個結構表現出較強的大位移小應變的幾何非線性效應，且隨著跨度不斷增大這種非線性效應愈顯著;此外，斜拉橋中大量使用較長的柔性斜索，無疑也增強了結構體系的非線性受力特征。如圖9所示。

風力分別作用于主纜、吊索和橋面產生的相互作用和相應運動表現，如表2所示：

表2 ? ?風力作用于橋梁各組件的表現

卡門渦街效應是橋梁在脈動風荷載作用下發生的限幅振動，在主纜、吊索和橋面等處都可能會發生。卡門渦街效應的作用原理是由于風流經圓形、矩形、多邊形等各種不同形狀的斷面時，其物體形狀的鈍體結構有可能發生風導致的漩渦脫落，出現鈍體結構風荷載兩側交替變化的渦激力。當渦激脫落頻率接近或等于結構的自振頻率時，會激發出風荷載與橋梁結構的共振，導致橋面產生水平橫向振動（擺動）。如圖10所示。

一旦渦激共振產生，就會產生結構的振動頻率對漩渦的脫落頻率的反饋作用，使得漩渦脫落的頻率在相當長的風速范圍內被結構的振動頻率所“俘獲”，從而產生結構的振動頻率被“鎖死”現象，這種現象進一步加劇了渦激共振效應，進一步拓寬了風的頻率范圍，進一步導致了橋面的水平豎向振動（波浪形振動），如圖11所示。

當橋面的水平橫向振動與水平豎向振動疊加后，因為前面局部結構和阻尼的影響，會進一步形成水平方向的限幅扭轉振動——扭振（參見下面舊塔科馬大橋案例），對大橋結構產生很強的、具有馬太效應的破壞作用，最終導致纜索和橋面斷裂，大橋坍塌。

當空氣力受結構振動影響較小時，空氣力作為一種強迫力，主要導致橋梁結構的強迫振動——隨機抖振;當空氣力受結構振動影響較大時，受振動結構反饋作用的空氣力則主要表現為一種自激作用，導致橋梁結構的自激振動——顫振或者馳振。這兩種振動如果長期存在，將對某些橋梁結構件造成微觀上的疲勞損壞，最終損壞大橋結構。

3 ?橋梁風致振動案例解析

3.1 ?舊塔科馬大橋的縱波振動與扭振

以著名的舊塔科馬海峽大橋（Old Tacoma Narrows Bridge）為例：舊塔科馬海峽大橋為細長型橋梁，該橋的寬跨比為1/71.6，高跨比為1/348。該橋的類 H 型板梁的抗扭剛度幾乎等于零，因此，即使增加了中央扣和橋塔處的液壓緩沖器等抑振措施，但是細柔性橋梁仍然在很低的風速下也出現了水平豎向振動。

舊塔科馬大橋于低風速自然風作用下的毀壞，旋渦沿橋面的“飄移”，而使得升力的作用點隨旋渦同時漂移，進而使升力產生的扭轉力矩作功由負向正轉化，宏觀上造成了主梁（橋面）的顫振扭轉失穩。先發生豎向振動，繼而轉變為限幅扭轉振動，并最終發生扭轉失穩，豎向振動的形式與渦激振動特性相符。如圖12所示。

國內研究比較趨向于認定自激氣動力說是橋梁振動的直接原因，而根本原因則是置于流場中的斷面周圍形成的復雜旋渦。就舊塔科馬橋而言，由于中間腹板的存在，而使得氣流在通過迎風側翼緣和背風側翼緣時會形成兩種不同形式的旋渦即單剪切流形成的旋渦和雙剪切流發生的旋渦是共存。這次教訓使科學家和橋梁工程師們認識到，懸索橋的加勁主梁（橋面）必須具有足夠的扭轉剛度和氣動性能良好的斷面型式，并一致認為板式加勁主梁（橋面）具有氣動不穩定性。

3.2 ?伏爾加河大橋“波浪形抖動”

伏爾加河大橋于2009年10月10日竣工通車，大橋全長7km。2010年5月19日晚，大橋橋面突然發生離奇的“蛇形共振”——水平豎向振動，大橋晃動呈波浪型，上下幅度達1m，并發出震耳欲聾的聲音。當天伏爾加格勒是多云，強風的天氣，大橋共振現象可能因風波動和負載所共振而發生。

4 ?橋梁風致振動U-TRIZ解決方案

4.1 ?功能的規范化定義與再抽象——從SVO、VO到VP

應用U-TRIZ功能分析，橋梁風致振動的最終結果是導致橋面的橫向水平振動、豎向水平振動和扭轉振動，因此，采取何種措施控制橋面穩定性是U-TRIZ的終極目的。按照U-TRIZ的創新思維“歸納-演繹”中的“凝練概念模型”步驟。采用語義表達

（1）基本語義表達：首先假定采用阻尼來控制橋梁的穩定性。因此“阻尼控制橋梁”是實現該功能的完整語句。

但是該語義表達存在缺陷：一是首先假定了語義表達的主語“阻尼”，二是沒有說明控制橋梁的何種屬性。討論一個技術系統的功能時，應該聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。

（2）將S主語去掉，真正定義功能。

（3）對動詞V和作用對象的規范化，即清晰描述控制物質的屬性，抽象“橋梁”為一般物質。把功能抽象出來的好處是，可以把具體問題一般化處理，形成一般化的問題，其引導思考更為廣泛的、多樣化的功能解決方案，去尋找廣義的、更多類型U-TRIZ所定義的功能的實現。

（4）對物質屬性和參數的規范化，即清晰描述操控物質的動作，“控制”修改為“穩定”，控制物質的穩定性就是要使物質保持原有位置的能力，這樣描述更加刻畫了語義表達的本質。

依據“穩定·位置”，檢索“屬性參數-效應-功能”表，得到83個效應，如圖13所示。

從中可以挑選合適的原理解和概念解，進而在選定的原理解或者概念解之上尋找更為合適的技術系統來實現既定功能，即尋找技術體系的真正應用場景和主語——S。

4.2 ?討論解決方案1

保持橋梁穩定是對橋梁風致振動的終極目的，但是根據經驗，已經實施了很多保持橋梁穩定的方法，很多措施的實施效果也很不錯。

（1）改變橋面形狀

橋面扭曲和振動是風致振動的最終體現，而橋面的結構和形狀也是風致振動的最直接的屬性，因此，改變橋面與風之間的相互作用的屬性能產生直接的止振效果。如圖14所示。

（2）增加阻尼

增加阻尼可以提高氣動穩定性或者降低風振響應，是消減振動的常用方案，如，臺灣101大樓阻尼器。

阻尼有調諧式和非調諧式，調諧質量阻尼器 （Tuned Mass Damper，簡稱TMD），相當于增加結構阻尼。一般來說，風速區間、振幅和攻角是與渦振密切相關的三個因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有較大振幅的振動。懸索橋固有阻尼很小，容易出現渦振，而且阻尼比隨著模態頻率升高而降低。阻尼比離散性很大，大型橋梁的阻尼比有待于進一步研究。

阻尼器實體進化路徑：固→粉→液→氣→場

目前阻尼發展出了更多類型：渦流阻尼，擺，質量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本東京灣大橋TMD采用液壓粘滯阻尼器抑制渦激振動。如圖15所示。

阻尼器場進化路徑：機→聲→熱→化→電→磁→電磁

（3）改變自身固有頻率，消減振動

當激勵頻率與固有頻率相等或者接近時，才會發生共振。因此，共振頻率不一定完全與固有頻率相等，共振頻率是以外界的激勵頻率來衡量的，而固有頻率是從橋梁結構角度談論的。在很多情況下，共振不是發生在單一頻率（固有頻率）處，而是具有一定寬度的共振帶。也就是存在一個頻率區間，在這個區間內容易發生共振。一般認為，當激勵頻率大于固有頻率40%以上時才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。

當外界激勵頻率無法更改時，我們可以改變自身固有頻率消減振動。增加阻尼會影響橋梁的阻尼比，但是阻尼對橋梁的固有頻率影響不大。而要改變橋梁的固有頻率，增加結構措施，需要從結構、大小、形狀等因素考慮，增加結構的總體剛度，如質量、中央扣、輔助索等。

例如：輔助索用數道細索將部分或者全部主索連接起來，通過將原本獨立的各主索彼此聯成一個索網，使原來主索獨立的振動被約束成索網系統的整體振動，從而提高主索的剛度。如圖16所示。

（4）設法不讓各種組件振動的頻率不同，避免共振

4.3 ?討論解決方案2

（1）改變橋面形狀，添加多種機械裝置，達到效應：平衡，機械力等等。

（2）既有方案

添加多種形狀的阻風板、擾流板。氣動措施：改善橋梁結構的繞流特性，從而減小激勵外力，如開敞式橋面、風嘴、中央穩定版、導流板、拉索的表面加工。

（3）新方案

添加空氣囊;改變表面形狀（鯊魚皮結構微型裝置）;破除渦流的鋸齒結構;中間增加鋼鏈定位裝置等。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面形狀的板、囊、齒等裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強風時有，常態時無。

可充氣異形氣囊;可收縮和擺動的阻風板;可收縮的破除渦流齒;可旋轉收放鋼鏈（下落連接江中的重物，機械約束振幅最大的中間位置）等。

4.4 ?討論解決方案3

（1）改變自身固有頻率，消減振動，增加阻尼是消減振動的常用方案

阻尼，渦流阻尼，擺，質量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼…

（2）既有方案

擺放水馬，增加機械阻尼裝置。

（3）新方案

橋面下方加裝空水箱;增加可動配重，加裝電磁阻尼器。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面固有頻率的各類阻尼裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強風時有，常態時無。

橋面下方增加多個空水箱，聯通水管，強風時抽江水給水箱注水。

增加可動配重，無風時分列橋塔兩側，有風時牽引至橋面下方中央位置。

電磁阻尼器感知現場振動波，實時生成并疊加反向振動波，抑制振幅。

參考文獻：

[1]虎門大橋啟用紅綠燈成中國高速公路首例.中國新聞網.2018-02-02.[2018-3-27]

[2]廣東交通集團：虎門大橋振動系渦振現象 懸索橋結構安全-新華網.[2020-5-6]

[3]今日9時，虎門大橋恢復交通.深圳新聞網.[2020-5-15]

[4]虎門大橋今天恢復交通，振動原因正式公布2020-05-16 20：16澎湃新[EB/OL].https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7428578.

[5]https：//www.360kuai.com/pc/9f3e852ef506d0a2d？cota=3&kuai_so=1&sign=360_57c3bbd1&refer_scene=so_1.

[6]虎門大橋最大振幅31厘米 司機：像坐過山車讓人想吐.新京報2020-05-08 08：07：38 [EB/OL].https：//news.163.com/20/0508/08/FC3E467R0001899O.html.

[7]趙敏，張武城，王冠殊.TRIZ進階及實戰——大道至簡的發明方法[M].機械工業出版社.2016.1.

[8]張靖.“舊Tacoma橋風振過程及演化機理初探”[D].西南交通大學，2018.6.

[9]胡曉倫.大跨度斜拉橋顫抖振響應及靜風穩定性分析[D].同濟大學博士學位論文，2006.9.

[10]姜天華.大跨度橋梁風致振動控制研究[D].武漢理工大學，2009.5.

[11]徐家云.大跨度橋梁風致豎向抖振控制研究[J].武漢理工大學學報，2014（1）.

[12]鄒傳伍.大型桁架式橋梁檢測車風載荷下穩定性分析及主動防擺研究[D].長安大學，2018.6.

[13]董錦坤.結構馳振理論分析及風振控制[D].東北大學，2005.6

[14]吉敏.淺談當前形勢下橋梁結構風振控制與設計要點[J].建材發展導向[J].2018（4）.

[15]謝曉輝.橋梁結構風振控制與設計[J].橋隧工程，2018（12）.

[16]徐洪濤.山區峽谷風特性參數及大跨度桁梁橋風致振動研究[D].西南交通大學，2009.7.

[17]錢啟蒙.大跨度輻射形斜拉管橋風振響應研究[D].西南石油大學，2018.5.

2020年5月5日下午，我國虎門大橋出現橋梁渦振現象，當日風力5至6級，最高達到6級（6級風速為10.8～13.8m/s）。直至6日凌晨，虎門大橋仍有肉眼可見的輕微振動。12日，專家權威發布大橋振動原因，并表示關鍵橋梁構件未發生異常，橋梁結構總體安全。16日，虎門大橋恢復通航。虎門大橋是連接廣州市南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋，為珠江三角洲地區環線高速公路重要組成部分，于1997年建成通車，防撞等級為30MN，防震等級為7級，防臺等級為61m/s，車流量大，常處于飽和狀態。

1 ?橋梁風致振動成因和振動類型

此次虎門大橋的振動是由于風致引起。為了避開超深水基礎的施工困難和滿足超大型船舶的通航要求，同時考慮施工和造價問題，國內外大力興建大跨徑鋼構橋，橋梁結構向著跨度更大、更柔性的方向發展。如表1所示。

表1 ? ?國內外大跨徑橋梁

更大跨度、更加柔性的橋梁結構會使橋梁周圍空氣繞流對稱性的破缺更容易誘發橋梁振動。僅從1818年到19世紀末，世界上由風引起的橋梁振動已至少毀壞了十多座懸索橋。2010年5月，俄羅斯伏爾加河大橋發生離奇晃動，橋面呈浪型翻滾，出現較為明顯的左右晃動，另外法國的Brotonne橋、丹麥的Faro橋、日本的名港西橋以及我國的上海楊浦大橋、武漢長江二橋、南京長江二橋的拉索均發生過振幅很大的風致振動。

大量研究和實踐表明，大跨徑懸索橋風致振動是正常現象，長期振動將造成結構件疲勞損壞，只能設法抑制和減少，但是無法全部消除。對于大跨度橋梁主梁（橋面）來說，風致振動主要包括渦振、顫振、抖振、馳振。橋梁風致振動有兩大類，強迫振動和自激振動;強迫振動又可以導致顫振、弛振和渦振，自激振動可以產生渦振和抖振。

一般來說，當橋梁結構與空氣振動耦合程度不高，或者橋梁結構振動影響較小時，主要導致橋梁結構的強迫振動——隨機抖振;當空氣與橋梁結構相互影響巨大，受振動結構反饋作用的空氣力則主要表現為一種自激作用，導致橋梁結構的自激振動——顫振或者馳振。

（1）顫振

橋梁顫振是一種空氣動力失穩現象。風的動力作用激發了橋梁結構的振動，振動的結構又反過來影響空氣的流場、改變空氣力，形成了風與結構的相互作用機制。當結構通過氣流的反饋作用不斷從氣流中獲取能量，該能量又大于系統因機械阻尼所耗散的能量時，引起結構發散振動，這種空氣動力失穩現象就是橋梁顫振。

（2）抖振

抖振主要由大氣中的紊流成分（即脈動風）所激起，是一種隨機強迫振動。雖然是一種限幅振動，但由于發生抖振的風速低，頻率大，會導致結構局部疲勞，影響行人和車輛行駛安全。隨著橋梁跨度的增加，結構的柔性增加，抖振也會相應增大;且隨著風速的增大，抖振相應（振幅及結構內力）會成倍增大。

（3）馳振

馳振是對于非圓形的邊長比在一定范圍內類似于矩形斷面的鈍體結構及構件，由于升力曲線的負斜率效應，微幅振動的結構能夠從風流中不斷吸收能量，當達到臨界風速時，結構吸收的能量將克服結構阻尼消耗的能量，形成一種分散的橫風向單自由度彎曲自激振動。

（4）渦激振動

同抖振一樣，渦激振動是橋梁在脈動風荷載作用下發生的限幅振動。渦激振動是由于風流經各種斷面形狀（圓形、矩形、多邊形等）的鈍體結構時有可能發生漩渦的脫落，出現兩側交替變化的渦激力。當渦激脫落頻率接近或等于結構自振頻率時，由此激發出結構共振。

上述振動現象中，對大跨度橋梁產生較大危害的是顫振和渦振。

拉索橋或者懸索橋是一種主梁（橋面）、支承塔柱受壓、拉索受拉的結構體系，是一種由索、塔、梁三種基本構件組成的組合結構，都是承重構件。斜拉橋的結構體系決定了橋塔、拉索、主梁（橋面）三者相互影響，塔和梁借橋塔引出的斜拉索聯結成整體結構，斜拉索作為加勁梁跨間的彈性中間支承，其風致振動具有較強的組合效應。橋塔結構高聳、構形尺寸大、相對輕柔。現代斜拉橋多采用密索結構，拉索輕柔超長，重量輕，而斜拉索長短不一，降低了梁跨的載向彎矩，其固有頻率的涵蓋范圍較寬泛，風致振動可能激發拉索的參數共振，拉索的風荷載與主梁（橋面）風荷載是兩種主要風致振動組件，有時拉索的風荷載更為劇烈。如圖1所示。

2 ?虎門大橋風振U-TRIZ功能分析

虎門大橋是當時中國國內規模最大的公路橋梁，也是中國首座加勁鋼箱梁懸索結構橋梁，其主跨長度居當時中國同類橋梁中的第一位，副跨長度居當時世界同類橋梁中的第一位。虎門大橋橋面凈寬30m，設計速度為120km/h，道路規模為雙向六車道，設中央分隔帶和緊急停車帶，通行能力為12萬輛次（小型客車）/d，防臺等級為61m/s。虎門大橋在中國國內首次采用GPS實時三維位移監測系統工程，橋裝配了多通道強震動監測系統與報警系統，可實時監測橋梁結構振動狀況和記錄橋梁在地震時的反應。

2.1 ?虎門大橋技術系統和超系統

U-TRIZ是由趙敏、張武城等為首的一批中國TRIZ研究者，在分析、比較了多個國際TRIZ流派的理論要點后，以經典TRIZ和部分現代TRIZ的精華為基礎，合理取舍重組，結合客觀世界中的“三元論（物質、能量、信息）”，經過理論創新后提出來的TRIZ理論分支。“以功能為導向，以屬性為核心”是該理論的精華和與眾不同之處。在分析解決疑難復雜問題上有較大優勢。

功能是把“發出動作的主體”去掉后，僅保留了“動作”和“作用對象”的一個抽象概念。功能分析是按照功能的基本定義，來建立所有系統組件模型相互作用的一種分析方式，通常分析的結果是要畫出“功能分析圖”。為了畫好功能分析圖，通常需要先明確發生問題的具體場景，以圖示的方式清晰表示所分析對象（技術系統）的基本組成和與環境（超系統）之間的關系。虎門大橋技術系統和超系統組件，如圖2所示。

應用U-TRIZ的功能分析，建立虎門大橋系統組件模型，即列出組成技術系統、子系統的各個組件以及相關的超系統中所有參與作用的組件，描述出各組件的系統所屬關系。基于系統組件的相互關聯性，系統應該至少由兩個系統組件（子系統或元件）所構成，如圖3所示。

虎門大橋主航道橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁懸索橋，為連續剛構梁式橋，由東西索塔、東西錨碇、主纜、吊索和加勁梁等五大結構部分組成。虎門大橋主纜主跨徑888m，主纜直徑687.2mm（孔隙率20%）;每根主纜由110束索股組成，每束索股含127根直徑5.2mm鋼絲，一般標準索股重34.8t。大橋吊索直徑52mm、間距12m，邊吊索距塔中心18m。大橋加勁梁箱梁寬35.6m，橋軸中心處梁高3.012m，橋面鋪設6cm厚瀝青混凝土;兩橋塔處伸縮縫最大伸縮量為1.5m。東西索塔的每個塔樁底分別由16根直徑為2m、12根直徑為2m的鉆孔灌注樁組成;東西索塔從基頂面算起高147.55m、從橋面算起高89.66m;塔柱頂平面為邊長5.6m正方形、底平面尺寸為5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下系梁為界分別為0.6m、0.75m和0.95m;東西錨碇承受主纜拉力分別為2×172600KN、2×174400KN。

氣流（風）、重力、江水和地基（江床）共同構成了虎門大橋的超系統環境。

2.2 ?虎門大橋的系統組件及相互作用分析

系統結構模型是在已經列出了所有必要的系統組件模型的基礎上，描述各組件之間的相互作用關系——人字網格交叉線。遍歷每兩個組件之間可能的相互作用關系，如圖4所示。

2.3 ?虎門大橋的系統功能模型

應用U-TRIZ的系統功能模型分析，在系統結構模型的基礎上，進一步識別其功能類別，并用不同的連線和箭頭來把所有的系統組件之間所存在的功能，以“SVO/VOP”的標準格式表示出來，畫出系統功能模型圖。

系統功能模型圖是輔助我們進行功能分析、發現并消除不良功能的圖示化工具。對從分析過程中所發現的系統中的有害功能必須首先予以消除;對于充分有用的功能必須予以確保實現或者予以增強。虎門大橋無風時的系統功能模型，如圖5所示。

2.4 系統組件的屬性分析

橋梁是處于大氣邊界層中的結構物，在自然風的作用下將產生振動響應，甚至造成結構毀壞、疲勞或過大變形及內力等問題。本文中主要針對虎門大橋的風振問題進行功能分析，因此，針對振動的肇事者：風（功能載體）進行屬性分析、風與橋梁組件的相互作用以及相互作用中產生的新屬性分析。

（1）風的自然屬性

風力是空氣通過建筑結構所產生的空氣動力現象，風災是自然災害的主要災種之一，風的自然屬性包括風力、風向、風量、風壓以及交變性，風致振動的成因必須從風的屬性入手，反復的風振動作用會導致橋梁結構或者結構件的破壞，與結構物的幾何形狀有密切關系。實際中常把風分為平均風（穩定風）和脈動風（陣風脈動）加以分析。平均風是風對橋梁結構物作用力的速度、方向均不隨時間而改變的物理量;脈動風則是由于風的不規則性引起的，其強度和頻率等屬性參數是隨時間按隨機規律變化的。如圖6所示。

（2）風與橋梁組件相互作用產生的新屬性

在風場中，風對橋梁結構造成的風荷載導致橋梁結構產生撓曲變形，這種撓曲實際上改變了流體流動的走向，從而改變了橋面不同截面的壓差，造成橋梁風致振動，而振動起來的橋梁又可能反過來改變周圍空氣和壓力，反過來又影響橋梁形變，這樣形成了風與橋梁結構的耦合相互作用。因此，研究風對橋梁結構的動力作用主要就是研究氣動力和橋梁結構運動之間的相互作用。例如：風的交變氣流，對風中的物體，產生多種流體作用力，如卡門渦街效應。如圖7所示。

在滿足橋梁承載力和結構穩定性的前提下，出于成本的考慮，相對于跨度而言，斜拉橋一般都設計得輕巧柔細，因此在力學本質上斜拉橋屬于一種高度柔性結構，因此橋梁的大跨度柔性結構必須考慮非線性因素計算和分析。如圖8所示。

斜拉橋輕柔的主纜、吊索隨風擺動帶動吊索底端上下起伏、風致擺動起伏都強烈地體現了橋梁柔性結構的非線性。在使用荷載作用下，斜拉橋各構件截面應力基本上仍處于彈性范圍內，但斜拉橋往往已經產生了較大的結構變形，整個結構表現出較強的大位移小應變的幾何非線性效應，且隨著跨度不斷增大這種非線性效應愈顯著;此外，斜拉橋中大量使用較長的柔性斜索，無疑也增強了結構體系的非線性受力特征。如圖9所示。

風力分別作用于主纜、吊索和橋面產生的相互作用和相應運動表現，如表2所示：

表2 ? ?風力作用于橋梁各組件的表現

卡門渦街效應是橋梁在脈動風荷載作用下發生的限幅振動，在主纜、吊索和橋面等處都可能會發生。卡門渦街效應的作用原理是由于風流經圓形、矩形、多邊形等各種不同形狀的斷面時，其物體形狀的鈍體結構有可能發生風導致的漩渦脫落，出現鈍體結構風荷載兩側交替變化的渦激力。當渦激脫落頻率接近或等于結構的自振頻率時，會激發出風荷載與橋梁結構的共振，導致橋面產生水平橫向振動（擺動）。如圖10所示。

一旦渦激共振產生，就會產生結構的振動頻率對漩渦的脫落頻率的反饋作用，使得漩渦脫落的頻率在相當長的風速范圍內被結構的振動頻率所“俘獲”，從而產生結構的振動頻率被“鎖死”現象，這種現象進一步加劇了渦激共振效應，進一步拓寬了風的頻率范圍，進一步導致了橋面的水平豎向振動（波浪形振動），如圖11所示。

當橋面的水平橫向振動與水平豎向振動疊加后，因為前面局部結構和阻尼的影響，會進一步形成水平方向的限幅扭轉振動——扭振（參見下面舊塔科馬大橋案例），對大橋結構產生很強的、具有馬太效應的破壞作用，最終導致纜索和橋面斷裂，大橋坍塌。

當空氣力受結構振動影響較小時，空氣力作為一種強迫力，主要導致橋梁結構的強迫振動——隨機抖振;當空氣力受結構振動影響較大時，受振動結構反饋作用的空氣力則主要表現為一種自激作用，導致橋梁結構的自激振動——顫振或者馳振。這兩種振動如果長期存在，將對某些橋梁結構件造成微觀上的疲勞損壞，最終損壞大橋結構。

3 ?橋梁風致振動案例解析

3.1 ?舊塔科馬大橋的縱波振動與扭振

以著名的舊塔科馬海峽大橋（Old Tacoma Narrows Bridge）為例：舊塔科馬海峽大橋為細長型橋梁，該橋的寬跨比為1/71.6，高跨比為1/348。該橋的類 H 型板梁的抗扭剛度幾乎等于零，因此，即使增加了中央扣和橋塔處的液壓緩沖器等抑振措施，但是細柔性橋梁仍然在很低的風速下也出現了水平豎向振動。

舊塔科馬大橋于低風速自然風作用下的毀壞，旋渦沿橋面的“飄移”，而使得升力的作用點隨旋渦同時漂移，進而使升力產生的扭轉力矩作功由負向正轉化，宏觀上造成了主梁（橋面）的顫振扭轉失穩。先發生豎向振動，繼而轉變為限幅扭轉振動，并最終發生扭轉失穩，豎向振動的形式與渦激振動特性相符。如圖12所示。

國內研究比較趨向于認定自激氣動力說是橋梁振動的直接原因，而根本原因則是置于流場中的斷面周圍形成的復雜旋渦。就舊塔科馬橋而言，由于中間腹板的存在，而使得氣流在通過迎風側翼緣和背風側翼緣時會形成兩種不同形式的旋渦即單剪切流形成的旋渦和雙剪切流發生的旋渦是共存。這次教訓使科學家和橋梁工程師們認識到，懸索橋的加勁主梁（橋面）必須具有足夠的扭轉剛度和氣動性能良好的斷面型式，并一致認為板式加勁主梁（橋面）具有氣動不穩定性。

3.2 ?伏爾加河大橋“波浪形抖動”

伏爾加河大橋于2009年10月10日竣工通車，大橋全長7km。2010年5月19日晚，大橋橋面突然發生離奇的“蛇形共振”——水平豎向振動，大橋晃動呈波浪型，上下幅度達1m，并發出震耳欲聾的聲音。當天伏爾加格勒是多云，強風的天氣，大橋共振現象可能因風波動和負載所共振而發生。

4 ?橋梁風致振動U-TRIZ解決方案

4.1 ?功能的規范化定義與再抽象——從SVO、VO到VP

應用U-TRIZ功能分析，橋梁風致振動的最終結果是導致橋面的橫向水平振動、豎向水平振動和扭轉振動，因此，采取何種措施控制橋面穩定性是U-TRIZ的終極目的。按照U-TRIZ的創新思維“歸納-演繹”中的“凝練概念模型”步驟。采用語義表達

（1）基本語義表達：首先假定采用阻尼來控制橋梁的穩定性。因此“阻尼控制橋梁”是實現該功能的完整語句。

但是該語義表達存在缺陷：一是首先假定了語義表達的主語“阻尼”，二是沒有說明控制橋梁的何種屬性。討論一個技術系統的功能時，應該聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。

（2）將S主語去掉，真正定義功能。

（3）對動詞V和作用對象的規范化，即清晰描述控制物質的屬性，抽象“橋梁”為一般物質。把功能抽象出來的好處是，可以把具體問題一般化處理，形成一般化的問題，其引導思考更為廣泛的、多樣化的功能解決方案，去尋找廣義的、更多類型U-TRIZ所定義的功能的實現。

（4）對物質屬性和參數的規范化，即清晰描述操控物質的動作，“控制”修改為“穩定”，控制物質的穩定性就是要使物質保持原有位置的能力，這樣描述更加刻畫了語義表達的本質。

依據“穩定·位置”，檢索“屬性參數-效應-功能”表，得到83個效應，如圖13所示。

從中可以挑選合適的原理解和概念解，進而在選定的原理解或者概念解之上尋找更為合適的技術系統來實現既定功能，即尋找技術體系的真正應用場景和主語——S。

4.2 ?討論解決方案1

保持橋梁穩定是對橋梁風致振動的終極目的，但是根據經驗，已經實施了很多保持橋梁穩定的方法，很多措施的實施效果也很不錯。

（1）改變橋面形狀

橋面扭曲和振動是風致振動的最終體現，而橋面的結構和形狀也是風致振動的最直接的屬性，因此，改變橋面與風之間的相互作用的屬性能產生直接的止振效果。如圖14所示。

（2）增加阻尼

增加阻尼可以提高氣動穩定性或者降低風振響應，是消減振動的常用方案，如，臺灣101大樓阻尼器。

阻尼有調諧式和非調諧式，調諧質量阻尼器 （Tuned Mass Damper，簡稱TMD），相當于增加結構阻尼。一般來說，風速區間、振幅和攻角是與渦振密切相關的三個因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有較大振幅的振動。懸索橋固有阻尼很小，容易出現渦振，而且阻尼比隨著模態頻率升高而降低。阻尼比離散性很大，大型橋梁的阻尼比有待于進一步研究。

阻尼器實體進化路徑：固→粉→液→氣→場

目前阻尼發展出了更多類型：渦流阻尼，擺，質量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本東京灣大橋TMD采用液壓粘滯阻尼器抑制渦激振動。如圖15所示。

阻尼器場進化路徑：機→聲→熱→化→電→磁→電磁

（3）改變自身固有頻率，消減振動

當激勵頻率與固有頻率相等或者接近時，才會發生共振。因此，共振頻率不一定完全與固有頻率相等，共振頻率是以外界的激勵頻率來衡量的，而固有頻率是從橋梁結構角度談論的。在很多情況下，共振不是發生在單一頻率（固有頻率）處，而是具有一定寬度的共振帶。也就是存在一個頻率區間，在這個區間內容易發生共振。一般認為，當激勵頻率大于固有頻率40%以上時才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。

當外界激勵頻率無法更改時，我們可以改變自身固有頻率消減振動。增加阻尼會影響橋梁的阻尼比，但是阻尼對橋梁的固有頻率影響不大。而要改變橋梁的固有頻率，增加結構措施，需要從結構、大小、形狀等因素考慮，增加結構的總體剛度，如質量、中央扣、輔助索等。

例如：輔助索用數道細索將部分或者全部主索連接起來，通過將原本獨立的各主索彼此聯成一個索網，使原來主索獨立的振動被約束成索網系統的整體振動，從而提高主索的剛度。如圖16所示。

（4）設法不讓各種組件振動的頻率不同，避免共振

4.3 ?討論解決方案2

（1）改變橋面形狀，添加多種機械裝置，達到效應：平衡，機械力等等。

（2）既有方案

添加多種形狀的阻風板、擾流板。氣動措施：改善橋梁結構的繞流特性，從而減小激勵外力，如開敞式橋面、風嘴、中央穩定版、導流板、拉索的表面加工。

（3）新方案

添加空氣囊;改變表面形狀（鯊魚皮結構微型裝置）;破除渦流的鋸齒結構;中間增加鋼鏈定位裝置等。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面形狀的板、囊、齒等裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強風時有，常態時無。

可充氣異形氣囊;可收縮和擺動的阻風板;可收縮的破除渦流齒;可旋轉收放鋼鏈（下落連接江中的重物，機械約束振幅最大的中間位置）等。

4.4 ?討論解決方案3

（1）改變自身固有頻率，消減振動，增加阻尼是消減振動的常用方案

阻尼，渦流阻尼，擺，質量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼…

（2）既有方案

擺放水馬，增加機械阻尼裝置。

（3）新方案

橋面下方加裝空水箱;增加可動配重，加裝電磁阻尼器。

（4）物理矛盾

既要有改變橋面固有頻率的各類阻尼裝置，又要不改變。

（5）采用條件分離原理

強風時有，常態時無。

橋面下方增加多個空水箱，聯通水管，強風時抽江水給水箱注水。

增加可動配重，無風時分列橋塔兩側，有風時牽引至橋面下方中央位置。

電磁阻尼器感知現場振動波，實時生成并疊加反向振動波，抑制振幅。

參考文獻：

[1]虎門大橋啟用紅綠燈成中國高速公路首例.中國新聞網.2018-02-02.[2018-3-27]

[2]廣東交通集團：虎門大橋振動系渦振現象 懸索橋結構安全-新華網.[2020-5-6]

[3]今日9時，虎門大橋恢復交通.深圳新聞網.[2020-5-15]

[4]虎門大橋今天恢復交通，振動原因正式公布2020-05-16 20：16澎湃新[EB/OL].https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7428578.

[5]https：//www.360kuai.com/pc/9f3e852ef506d0a2d？cota=3&kuai_so=1&sign=360_57c3bbd1&refer_scene=so_1.

[6]虎門大橋最大振幅31厘米 司機：像坐過山車讓人想吐.新京報2020-05-08 08：07：38 [EB/OL].https：//news.163.com/20/0508/08/FC3E467R0001899O.html.

[7]趙敏，張武城，王冠殊.TRIZ進階及實戰——大道至簡的發明方法[M].機械工業出版社.2016.1.

[8]張靖.“舊Tacoma橋風振過程及演化機理初探”[D].西南交通大學，2018.6.

[9]胡曉倫.大跨度斜拉橋顫抖振響應及靜風穩定性分析[D].同濟大學博士學位論文，2006.9.

[10]姜天華.大跨度橋梁風致振動控制研究[D].武漢理工大學，2009.5.

[11]徐家云.大跨度橋梁風致豎向抖振控制研究[J].武漢理工大學學報，2014（1）.

[12]鄒傳伍.大型桁架式橋梁檢測車風載荷下穩定性分析及主動防擺研究[D].長安大學，2018.6.

[13]董錦坤.結構馳振理論分析及風振控制[D].東北大學，2005.6

[14]吉敏.淺談當前形勢下橋梁結構風振控制與設計要點[J].建材發展導向[J].2018（4）.

[15]謝曉輝.橋梁結構風振控制與設計[J].橋隧工程，2018（12）.

[16]徐洪濤.山區峽谷風特性參數及大跨度桁梁橋風致振動研究[D].西南交通大學，2009.7.

[17]錢啟蒙.大跨度輻射形斜拉管橋風振響應研究[D].西南石油大學，2018.5.