橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制與設(shè)計(jì)思路分析

徐勉科

摘 要：為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，強(qiáng)化橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。文章結(jié)合實(shí)際在闡述橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)控制風(fēng)振思路以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，希望探討后可以給同類(lèi)工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu);風(fēng)振控制;設(shè)計(jì)思路;分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，在一定的程度上與橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制水平的高低有著一定的聯(lián)系。因此為了能夠滿足結(jié)構(gòu)性安全性的穩(wěn)定要求，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制要點(diǎn)以及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行研究，探尋出更為科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案是本文的研究重點(diǎn)。

1 橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)而言，具體來(lái)看主要包括兩種類(lèi)型，如限幅振動(dòng)和發(fā)散振動(dòng)，后者又包括馳振和顫振。如表1所示，即是橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載響應(yīng)的具體類(lèi)型。橋梁抖振主要是在紊流場(chǎng)的條件下產(chǎn)生，受制于陣風(fēng)所攜帶的強(qiáng)迫振動(dòng)和隨機(jī)性振動(dòng)，相應(yīng)的表現(xiàn)則比較復(fù)雜。而就現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)反映，顫振所帶來(lái)的失穩(wěn)破壞遠(yuǎn)高于抖振，但如果后者響應(yīng)過(guò)于激烈，相應(yīng)的其對(duì)橋梁所造成的不良影響也會(huì)比較突出。一般來(lái)看，處在一定流速條件下的物體，其兩側(cè)往往會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱且脫離表面的漩渦，而后還會(huì)出現(xiàn)相互交替的橫向風(fēng)力，在這樣的共同作用下即會(huì)出現(xiàn)渦激共振的不良情況。一般來(lái)看，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的主梁整體都應(yīng)認(rèn)真分析渦激振動(dòng)，但是如果桁架主梁的除透風(fēng)率>50%，那么就無(wú)需考慮這樣的情況。另有研究數(shù)據(jù)表明，大跨度橋梁的主梁和拱橋的吊桿以及斜拉橋的斜拉索等結(jié)構(gòu)物也會(huì)出現(xiàn)渦激振動(dòng)的不良情況，且會(huì)對(duì)橋梁的正常使用造成影響，這點(diǎn)應(yīng)引起高度的重視。通常情況下，彈性氣體在氣流條件下出現(xiàn)振動(dòng)或變形，反過(guò)來(lái)又推動(dòng)氣流力的變化，如此彈性體即會(huì)出現(xiàn)新的振動(dòng)和變形，該過(guò)程所形成的氣動(dòng)彈性應(yīng)高度重視。對(duì)于氣動(dòng)彈性力來(lái)說(shuō)，其不穩(wěn)定性的情況屬于氣動(dòng)彈性的一般情況，而橋梁馳振和顫振等則應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注，特別是氣動(dòng)彈性力的針對(duì)性防控。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制措施

2.1 結(jié)構(gòu)措施

（1）通過(guò)增大橋梁結(jié)構(gòu)剛度加大固有頻率。通常來(lái)看，促使橋梁結(jié)構(gòu)剛度增加則會(huì)引發(fā)振動(dòng)幅度減小的后果，同時(shí)臨界的風(fēng)速也會(huì)增大，并最終導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率的加大。但是這樣的結(jié)構(gòu)處理并不通用，就拿一些柔性大跨度橋梁來(lái)說(shuō)，通過(guò)增大剛度并不能達(dá)到較為理想的效果，且還會(huì)造成很大的不良影響。

（2）通過(guò)增大橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量來(lái)降低風(fēng)致振動(dòng)幅度。盡管增加橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量會(huì)帶來(lái)一些積極的影響，但是同時(shí)也會(huì)影響到橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率，這點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（3）對(duì)于那些不屬于流動(dòng)性的大跨度橋梁，一般應(yīng)增加其截面的抗扭剛度。通常情況下，這樣的橋梁斷面會(huì)出現(xiàn)顫振的不良情況，而扭轉(zhuǎn)則應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注，只有落實(shí)好這方面的處理，橋梁斷面顫振的情況才能得到有效地規(guī)避。

（4）提高臨界風(fēng)速。在實(shí)踐階段中，通過(guò)采取多振型耦合顫振理論方法，由于橋梁多振型耦合橋梁，在抗擊風(fēng)穩(wěn)定性上有一定的作用。所以在實(shí)踐階段中可以通過(guò)增加約束方式改善風(fēng)振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁整體穩(wěn)定性。需要注意的是在橋梁結(jié)構(gòu)增加阻尼來(lái)抗震風(fēng)穩(wěn)定性，這一措施應(yīng)用的階段它需要考慮到風(fēng)陣形成的機(jī)理，并且根據(jù)實(shí)際情況對(duì)阻尼器的功能進(jìn)行綜合選擇，如此才能夠提高抗風(fēng)陣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2.2 氣動(dòng)措施

對(duì)于橋梁截面而言，如果不同類(lèi)型的氣流經(jīng)過(guò)截面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的氣流作用，在一定的程度上會(huì)給橋梁截面的氣動(dòng)外形造成一定的影響，無(wú)論是從前者或者是從后者分析均存在一定的變化。另外由于大橋外形和風(fēng)荷載性質(zhì)在一定的程度上會(huì)給震動(dòng)產(chǎn)生一定的作用，如果橋梁的預(yù)定功能和結(jié)構(gòu)特征存在不均勻性，在這種背景下橋梁產(chǎn)生的影響減少，就可以通過(guò)改良橋梁外形提高導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的方式，減少氣動(dòng)的影響，就目前分析，可知在實(shí)踐階段中由于風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式，能夠?qū)Σ煌瑲饬髯饔孟滦纬傻淖饔眠M(jìn)行歸納分析，風(fēng)能力控制上需要從以下幾個(gè)層面做好控制：

（1）實(shí)施不同截面顫振導(dǎo)數(shù)測(cè)試的過(guò)程中，形狀相同的截面應(yīng)確保其穩(wěn)定性和寬度比等的適宜，特別是寬度比，通常應(yīng)使其處在>7的條件下。

（2）橋梁斷面懸臂型橋梁較之鈍頭橋梁斷面的氣動(dòng)性更為突出，且懸臂長(zhǎng)度與橋梁穩(wěn)定性之間極為協(xié)調(diào)，如此也就保障了長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（3）截面形狀的端部有著極為重要的作用，特別是在裙板和風(fēng)嘴設(shè)計(jì)。通過(guò)這樣的精細(xì)設(shè)計(jì)，能夠精細(xì)地形成流線型截面，同時(shí)還能有效地規(guī)避渦脫等不良情況。

（4）對(duì)于橋梁存在更大跨度或是較低頻率的情況，一般可在橋面部位開(kāi)槽通風(fēng)，以確保氣動(dòng)性穩(wěn)定性的達(dá)標(biāo)。

（5）通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)中增加一定數(shù)量的抑流板和導(dǎo)流板等的處理方式，能夠極大程度地降低抖振等不良情況發(fā)生的可能性。

2.3 機(jī)械措施

此類(lèi)處理主要是在以上氣動(dòng)措施無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的條件下應(yīng)用。相應(yīng)的處理主要分為以下幾種：

（1）對(duì)于主動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，主要是在外部能源介入的基礎(chǔ)上進(jìn)行，與此同時(shí)通過(guò)外部荷載的共同作用進(jìn)行瞬間控制。不僅如此，也可借助于增大或減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力的方式，以起到減弱振動(dòng)影響的效果。這方面的控制為的是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行，其中涉及到的現(xiàn)代控制理論對(duì)模型的主動(dòng)控制應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，以通過(guò)精細(xì)的計(jì)算達(dá)到最佳的控制效果。通常情況下，即便外部輸入巨大的能量時(shí)，也可起到限制橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的現(xiàn)實(shí)效果。以下是兩種不同機(jī)制的主動(dòng)控制：

①反饋機(jī)制，該條件下的主動(dòng)控制主要是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注;

②前饋機(jī)制，這方面的控制主要是通過(guò)環(huán)境干擾觀測(cè)進(jìn)行。

（2）半主動(dòng)控制，該過(guò)程主要是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)和外部激勵(lì)信息的主導(dǎo)下進(jìn)行，此類(lèi)控制與以上主動(dòng)控制在實(shí)施上有著諸多的相似之處。其都是借助于結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度等內(nèi)部參數(shù)的調(diào)節(jié)，以將結(jié)構(gòu)的反應(yīng)降到最低，這樣即能使結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的狀態(tài)，而系統(tǒng)也能高效地控制。對(duì)于半主動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，其所用到的設(shè)備是一種機(jī)械式，通過(guò)其與橋梁剛度的結(jié)合進(jìn)行高質(zhì)量地處理。

（3）被動(dòng)控制，這樣的控制能夠在被動(dòng)的條件下消耗振動(dòng)能量，如此這樣條件下所存在的不良影響即能有效防控。

（4）混合控制，這樣一種控制融合了主控制和被動(dòng)控制，可以說(shuō)集合了以上兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，且具備風(fēng)振控制的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)看，這樣的控制有著主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果，且能最大程度的利用振動(dòng)能量，以使以上控制方式處在一種最為理想的應(yīng)用狀態(tài)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)也會(huì)是引起震動(dòng)的主要因素，在設(shè)計(jì)橋梁臨界風(fēng)速的時(shí)候，需要針對(duì)實(shí)際情況對(duì)臨界風(fēng)速可能引起的震動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行考慮。此外還需要根據(jù)實(shí)際情況控制渦激共振和抖振產(chǎn)生的幅度，減少每個(gè)階段抗震的問(wèn)題使其能夠達(dá)到實(shí)際需求。所以在具體設(shè)計(jì)的階段中需要考慮到橋梁臨界風(fēng)速和橋梁安全密度的關(guān)系，要根據(jù)實(shí)際情況綜合性的選擇風(fēng)洞試驗(yàn)的方式以及氣動(dòng)模型的方式進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)分析，并且在掌握相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)之后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案的需求做好橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的思路構(gòu)建。

（1）各個(gè)地區(qū)的風(fēng)力特性往往有著很大的差異，因此在具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)橋梁施工區(qū)域的調(diào)查和分析，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)資料，應(yīng)確保全面精細(xì)。例如橋梁所在區(qū)域的特殊風(fēng)向和特殊地形等，都應(yīng)進(jìn)行精細(xì)全面地分析。另外，還應(yīng)根據(jù)整體性的分析做出靈活的調(diào)整。

（2）橋梁的設(shè)計(jì)還應(yīng)精細(xì)分析橋梁的動(dòng)力特性，這樣風(fēng)振分析才能高效地落實(shí)。具體分析的過(guò)程中，一般可通過(guò)適宜的動(dòng)力模型進(jìn)行，借助于結(jié)構(gòu)相近的橋梁實(shí)測(cè)資料的比較，以對(duì)所得到的分析結(jié)果進(jìn)行深層次地驗(yàn)證。

（3）橋梁顫振過(guò)程中的臨界風(fēng)速也應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的分析，且應(yīng)將其放在極為突出的位置。對(duì)于基準(zhǔn)臨界風(fēng)速小于臨界風(fēng)速的情況，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良后果，因此應(yīng)高度重視。相對(duì)來(lái)說(shuō)，外界風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時(shí)，相應(yīng)的橋梁則會(huì)受到較小程度的振動(dòng)，這樣的一種情況對(duì)防控振動(dòng)有著重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上敘述，在橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)控制以及設(shè)計(jì)的階段中想要確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，就需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振的影響因素進(jìn)行分析，并且采取有效的設(shè)計(jì)方案減少風(fēng)振造成的影響。在上文研究中，針對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)控制以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的探討，提出了針對(duì)性的設(shè)計(jì)思路，目的在于提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，強(qiáng)化整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

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