大跨度桥梁抗风措施研究

2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构6 5 大跨度桥梁抗风措施研究 吴 志 勤 何超 1 南京先行交通工程设计有限责任公司 江苏南京 2 1 001 6 2 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 湖北武汉 4 3 0 0 5 6 摘 要 桥梁风害是人们非常关心的问题之一 桥梁应具有抵抗风作用的能力 风对桥梁的作用不单纯是平均风的静力作用 特 别是大跨度桥梁 其柔性较大 设计时必须考虑颤振 抖振 弛振等空气动力问题 分析总结了以往的桥梁风毁事故 研究了风对 桥梁 结构 的作 用及其对 策 有 关经验可 供相关 专业人员参 考 关 键词 大跨 度桥梁 颤振 抖 振 弛 振 中图分 类号 u 4 4 8 1 4 文献标 志 码 A 文 章编号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 5 1 1 0 5 0 5 0 引言 1 8 7 9年 1 2月 英 国的 T a y桥 遭受暴 风 雨袭 击 8 5 跨铸铁桁架中的 1 3 跨连同正行驶于其上的 一 列火车一起坠人河 中 1 9 4 0年秋 在 1 9 m s的 8 级大风作用下 美国华盛顿建成仅 4个月的塔科 马峡谷悬索桥发生强烈的扭转 振动 桥面 的扭转 振动不断增大 发展 到 4 5 o 的扭角时 吊索被逐 根拉断 桥面折 断坠落入峡谷 中 塔科马大桥的风 毁 引起 了国际桥梁工程界和空气动力界 的极大关 切 并开展了大量的理论探索和风洞实验研究 事 故发生后 的调查表 明 自 1 9世 纪初 以来 已有 1 O 座桥梁遭到 了风毁 桥梁风害也 由此被纳入到桥 梁设计 内容 中来 一直到 2 0世纪 5 0年代 通过 吸 取教训 改进 主梁断面形状后 大跨度桥梁又得 到 蓬勃发展 美 国 日本 和丹麦等 国先后建成 了主跨 在 1 k m以上的大跨度悬索桥 其中日本 1 9 9 8 年 建成 的明石海峡桥主跨达 1 9 9 0 8 m 随着大跨度 桥梁建设 的 日益兴起 桥梁抗风方面 的研究也逐 渐成为大跨度桥梁设计方面所关注的焦点 1 桥 梁风 害的 回顾 有记 录的桥梁风毁事故发生于 1 8 1 8年 在狂 风作用下 苏格兰 的 D b u r g h A b b e y桥遭到毁 坏 直到 1 9 4 0年 世界范 围内先后 有 1 2座桥 因风 的 作用 而遭到不 同程度的破坏 见表 1 其 中风害造 成严重事故是英国苏格兰的 T a y桥的倒塌 共造成 了 7 5人死亡 此外 风震将 导致大跨径桥梁产生 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 1 3 作者简介 吴志勤 1 9 8 1 一 男 江苏南京人 工程师 从 事混凝土 桥梁结构设 计工作 明显的振动 其 中在 1 9 5 1 年对金 门大桥进行实测 时 发现该桥在 8 9级风力 的作用下 主梁 1 4处 的最大单幅 1 7 m 如此强烈 的振动 对桥梁结构 的疲劳寿命 行车安全等 的危害是不言而喻 的 表 1 风 毁桥梁一 览表 1 9 6 2年到 1 9 6 3年间 日本 的一座架设 中的桁 架桥和一座简易人行 吊桥相继遭到风毁 1 9 6 4年 建成 的英 国福斯桥的独立桥塔 在施 工 中因风振而 产生塔柱接头部位 的损伤 近几年来 随着我 国大 跨度桥梁的建设 桥梁的风害也时有发生 例如广 东南海 九江公路 斜拉桥施 工 中吊机 被大风 吹倒 砸坏主梁 江西九江长江公路 铁路两用钢拱桥 吊 杆的涡激共振 上海杨浦斜拉桥缆索的涡振和雨 振使索套损坏等 这些桥梁风害事故的出现使人 们越来越意识到桥梁风害问题的重要性 促使桥 6 6 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1 期 梁工作者对风作用进行深入研究分析 2 风对 桥梁结构 的作用 根据风荷载的速度变化规律及作用周期长 短 通常将其划分为平均风和脉动风两种类型 在给定 的时间间隔内 风对桥梁作用 的速度大 小及方 向不随时间改变 且作用周期远大于桥梁结 构的 自振周期l 2 l 此类 风荷 载称 为平 均风 其对桥 梁的作用类似 于静力作用 平均风的静压对结构 产生阻力 升力 和力 矩作用 可 引起桥梁 的强度 变形破坏及静力失稳 风速围绕平均风速随时问随机变化 同时作 用周期较短 2 此 类风荷载为脉动风 其属 于不规则 运动的风 对桥梁结构的作用相当于动力作用 结 构的风致振动现象是多样化的 总体 可划分为两 大类 抖振和 自激振动 风对桥梁结构的作用机理十分复杂 它受到风 本身的自然特性 环境 地形 地貌 和桥梁结构的 动力特性 结构固有频率 振型特性 阻尼特性 以 及 风 与桥 梁结 构 的相 互 影 响等三 方 面 因素 的制 约 论文重点研究风对桥梁的动力作用 3 风对桥梁 的动力作用一桥梁风致振动形 式及对策 大跨度桥梁结构 的设计必须充分考虑风荷 载 桥梁结构 因风荷载引起 的振动形式是多样性 的 根据其发生机理和作用部位可大致划分 为以下 几种 主梁 的风振形式有 颤振 驰振 抖振 涡激 共振 桥塔的风振形式有 涡激共振 驰振 拉索的 风振形式有 涡激共振 驰振 尾流弛振等 2 1 主梁 的颤振和驰振是桥梁设计人员必须首先 考虑的 因为桥梁结构可能因这两种振动而受到致 命 的打击 这两种振动是桥梁结构致命 的 急性 病 涡激共振是一种 限幅振动 它将导致桥梁 的 疲劳 问题 但 不会马上引起桥 梁的破坏 设 计者 对此 慢性病 也应给予足够重视 设计者可通过 风洞试验选择对主梁有利的抗风减振措施 从而 避免或减轻桥梁 的 急 慢性病 的危害 抗风措施 通常可分为改善结构总体动力特性和改善结构断 面的气动性能两大类 前者主要是从结构 的布置 材料等方面考虑 后者主要是从桥梁截面的气动外 形上考虑 3 1 颤振 从 2 0世纪 4 0年代后期开始 围绕塔科马悬索 桥风毁事故原 因的分析进行 的试验研究 当时有 两种观点 一种观点认 为塔科 马桥 的振动 与机翼 的颤振类 同 是一种风致扭转发散振动 另一种观 点认为塔科 马桥 的主梁是 H型断面 存在明显的 涡流脱落 因此是一种涡激共振 两种观点互相争 论 直到 1 9 6 9年 斯坎伦 R S c a n l a n 提 出了钝 体 断面的分离流颤振理论 成功地解 释了塔科 马桥 的风毁机理 并 由此奠定 了桥梁颤振的理论 基础 在这以后 又发展了多种桥梁 颤振分析方法 使大 跨 度桥 梁 的颤振 问题 在工 程上 得 到 了较好 的解 释 颤振是一种危险 的 自激发散振 动 当风速达 到临界风速时 振动的桥梁通过气 流的反馈作用 不断吸取能量从 而使振 幅逐步增大 直至最后结构 破坏 它是指桥梁 以扭转振动形式或扭转与竖 向 弯曲振动相耦合形式的破坏性发散振动 颤振分 扭转颤振和弯扭颤振 两种 目前 已有学者对桥梁 多模态耦合颤振 的 自动分析进行 了相关研究 3 3 2 驰振 对 于非 圆形截 面的边 长 比在一定范 围内的类 似矩形截面的钝体结构及构件 升力曲线的负斜 率效应将导致微幅振动的结构 能够从风流 中源源 不断地吸取能量 当风速增 大到临界风速时 结构 吸取 的能量 能够克服结构 阻尼所 消耗 的能量 形 成一种发散的横风向单自由度弯曲 自激振动 根 据来 流的不 同 驰振一般 可分 为横流驰振 和尾流 驰振 结构是 否发 生驰 振 主要取决于结构横截 面 的外形 桥梁结构的塔 柱 特别是施工 阶段独塔状 态应该考虑驰振现象 另外结冰 的拉索也有 可能 发生驰振现象 驰振 临界风速与结构 阻尼 比 密度 比成 正 比 与升力曲线 的斜率成反 比 抵抗驰振 的方法有以下几种 1 塔顶安装 调制阻尼器 T MD 提高结 构阻 尼 比 2 对矩形截面采用倒角 的方法 降低 升力 曲 线的斜率 3 加大结构的刚度 提高弯曲斜率 4 加大结构 的密度和 阻尼 如混凝土塔较钢 塔 阻尼 比大 3 3 涡 激 振 风流经过各种断面形状 的钝体结构 时都有 可 能发生漩涡的脱落 出现两侧交替变化的涡激力 当漩涡脱 落频率接 近或等 于结构 的 自振频率 时 将 由此发生结构共振 试 验表明 对于 已确定形状 的和大小 的截面 漩 涡的脱 落频率 与风速成正 比 涡激 振动 的最大 2 0 1 5 年 l 1 月第 l l期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构6 7 振幅的大小随结构阻尼 的增大而减小 而发生 涡 振的风速与频率则几乎不受阻尼 的影响 一 般来 说 透 风率低 的扶手栏 杆 防撞 墙 防 眩面板等对涡激振动有不利 的影响 而趋 于防止 或延迟风流从结构表面脱落 的装置 促使分 离流 对结构黏着 的装置等均对 防止或减少 涡振有 有利 的影响 另外来流的紊流度对涡激共振也有一定 的影响 涡激振 动作 为一种带有某些 自激性 质的强迫 振动现象 有 以下特征 1 是一种发生于较低风速区的有限振幅振动 2 只发生于某一风速区域 内 3 阻尼 比对最大振幅有很大 的影响 4 涡激振动或是弯 曲振 动 或是扭转振动 5 断面形状的微小变化对振动的影响很敏感 因此 涡激振动不是一 种危险性 的发散振动 通过增 加阻尼 或者适当的整流装 置可 以将其振 幅限制在可以接受 的范围内 降低 涡激共振振幅的办法如下 1 增加阻尼或者安装 T MD 2 适 当增 加整 流装置来限制涡激振动 响应 减振整流装 置 的办法 有很多 种 如 折翼 板 扰流 板 分流板 等 具 体采用 何种装 置 可通 过风洞试 验来确定 3 4 抖振 2 0世纪 7 0年代开始 桥梁风致振 动问题 的研 究重点开始转向到桥梁抖振上 在 D a v e n p o r t 抖振 分析理论 的基础上发展 了多种抖振分析方法 大 气 中的紊流成分所激起 的强迫振动 也称紊流风 响应 抖振是一种限幅振动 由于它发生频率高 可能引起结构 的疲劳 过大的抖振振幅会让人感 到 不适 甚至危及桥上高速行车安全 目前关于这方 面的研究 尚不成熟 各振动形式的 比较见表 2 4 斜拉索的风致振动 斜拉 桥 的风 致振 动大致 可 以分为涡激 振 尾 流振动 雨振 参数共振以及结冰索的驰振等 1 涡激振 一般拉 索的小振幅风致振动大多 是 由于涡激共振所产生 的 圆形截面 的斯特罗 哈 数等于 0 2 其漩 涡脱 落频率 随风速线性变化 当 漩 涡脱落频率与拉索某 阶横 向振动频率相一致 时 会发生 涡激共振 此时的风速 即为临界风速 由于 拉索对漩涡脱落的反馈作用 涡脱频率在接近临 界风速的一定范围内被拉索频率锁定 使发生涡 激共振的风速范 围扩大 一般观察到 的涡激共振 大都是 四阶或五阶的振型 表 2 桥 梁振动 形式 比较 项 目名称 振动形式 发振机理 影 响因素 控 制方法 振动 的桥梁通过 桥梁 断面 扭转颤振气流 的反馈作用 形式 通过控制影响 颤振 弯扭耦合不断 的吸收能量 质量 回转 因素来提高临 颤振 而使振幅扩大最 半径 界风速 后破坏 紊流度等 安装 T MD增大 h 曲 比 密 暑 降 低 升 力 斜 升 力 或 力 矩 曲 线 度 比 的负斜率 线 大刚度提高弯 的斜率 漩 涡脱落频率接 涡 激 振 嘉 振 幅 誓 黎 望 断 面 的结构共振 增大阻尼 适 当的整流装 置 由于斜拉桥各根拉索 的索力 直径 长度不 同 其振动频 率也是各不 相 同的 因此 在不 同风 速条件下会激起不同部位的拉索振动 2 尾流振 动 当两 根斜拉 索并列 布置 且 间 距为斜拉索直径的 l 0 2 0倍 时 上 风侧斜 拉索的 尾流会激发下风侧拉索发生椭圆形振动 3 雨振 下雨时 当风的作用方 向与斜拉索的 下坡一致时 在斜拉索的表面会形成上下两条通 道 雨振即为由于这些通道的形成 使斜拉索的截 面变为对空气动力部稳定 时所发生的振动 见 图 1 E 面 水 道 图 1 雨 振 形 式 雨振特点 a 雨振常发生在斜拉索表面为光滑时 b 雨 振是风速 为 6 1 8 m s的范 围内所 发生 的一种有 限振动 c 发生 的频率处 于 3 H z以下的范围内 d 易受紊流 的影响 紊流强度 达 1 5 时有可 能不发生雨振 e 结构阻尼增加后振幅减少 如附加对数衰 减到 0 0 2 0 0 3的结构阻尼后即可制振 4 参数共振 当斜 拉桥主梁受 到各种外界的 激励 桥 面以总体 的弯 曲频率发生共振 时 将使下 端与桥 面相 连接 的拉索 以同样频 率随之振 动 当 横 自 激 的 单 自 散 向 度 动 发 风 由 振 振 2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构6 9 2 带悬臂 的截面较钝头截面有较好的气 动性 能 且悬臂愈长 气 动稳定性愈好 在截 面头增设风 嘴 裙板将改善气 流 的流 台 减少 涡脱 使 截面趋 于流线 型 相 反 桥 面的防撞栏 透风率较低 的栏 杆 路缘石等对气动性能是不利的 3 采用 桥面局部 开槽 的透风措施 增加气动 稳定性 对 于超大跨度桥梁 这种措施是必须 的 4 增加 一些抑 流板 导 流板 和扰流板等减少 抖振反应 但应注意到 由于各种风振的极力不 同 一种措施并不能兼顾各个方面 有时 某种措 施 能抑制一种 风致振 动 而对 另一种风致振动 的 效果不大 甚 至会引起相反 的效果 因而必须经过 风洞实验验证其效果 5 斜拉索 可采用 表面刻槽 表 面加螺 旋条 表面加 凹凸斑点等方式进行改善抗雨振 的性能 6 超大跨度跨海大桥抗风对策 悬索桥的扭转刚度随着跨径 的增加而骤减 导致其扭转振动频率及其颤振临界风速的大幅度 下降 为了提高超大跨径悬索桥的扭转刚度 国内 外学者从 结构 措施 空气气动措施 机械措施进行 了大量研究和探索 扼要的讲 有如下三个方面 结构措施方面 提出了若干结构体系调整方 案 特别是主缆系统的调整方案 如采用交叉吊索 采用竖向倾斜的空间缆索体系等形式 结构措施的 目的主要是为了提高结构的扭转刚度 增大结构的 扭转振动频率 以此提高结构的抗风稳定性 3 J 空气气动措施方面 主要有在加劲梁两侧设 风嘴 在加劲梁中央采用开槽的措施形成分体桥 面等措施 但过宽的中央槽将使横梁跨度增大 使 桥梁造价增 大 过宽 的桥 面 有 时也会造成桥 塔宽 高 比的失调 影响桥梁的美观 机械措施 方面 主要是在加劲梁上安 装一些 辅助装置来增大结构 的阻尼 并减小作用 在结构 上的气动力 从而达到提高悬索桥气动稳定性的 目的 这种装置主要有两类 一类是阻尼器 另一 类是在加劲梁断面 的迎风 背风边缘安装 的控制 面 当加劲梁在气流作用下发生振动时 用作用在 控制面上 的气动力来增大结构振动 的阻尼 从 而 提高颤振临界风速l 6 l 7 需要继续研究的问题 7 1 桥梁风振理论准确化 回顾桥 梁风 振理论 研究 发展 的整个 过程 直 至 目前 通用的包含气动导数的 自激力和准定常 形式的抖振力 仍为线性 表达 式 其忽略 了非线性 项 但 随着桥梁跨度 的增加 结构的变形和振 幅都 达到 了米的量 级 非线性 因素 的影 响增大 应该考 虑是否需要建 立更加精确 的气 动力表达式 特别 是用现有理论分析抖振响应和实测结果有较大 的 误差 而且跨度愈大误差也愈大 因此需要提出新 的研究理论 以便得到更加准确 的桥梁风振分析 结果 7 2 设计风速的确定 设 计风速一般是通过基本 风速的修 正来确定 的 它一般是相对于某一标准高度 1 0 1T I 高度 标 准时距 1 0 ra i n时距 标准地 表地貌 一般空旷平 坦地表 类地表 1