2018悬索桥抗风综述
摘要：本文以大跨径悬索桥的抗风为研究对象，总结阐述了抗风研究的历史过程，着重分析了桥梁抗风设计的方法：采用拉索系统提高扁平箱梁形式悬索桥颤振临界风速；通过改善桥梁断面的外形来减小气动力的空气动力学措施；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的机械措施。文中还对超长跨径悬索桥建设的可行性进行了研究。http://
关键词：桥梁抗风，拉索系统，空气动力学，机械措施，阻尼器
1. 塔科玛桥的倒塌
1940年华盛顿州塔科玛市的海面上刮起了风速19m/s的强风，刚竣工的全新的塔科玛悬索桥在风的吹动下，诱发了扭转振动导致了可怕的跨桥事故。
设计塔科玛桥时充分考虑了风的静力作用，还委托华盛顿大学做了模型试验，并无任何疏忽与漏洞。事故的原因并不是风的静力作用，而是随时间变化的风产生的作用力所致。
塔科玛桥的悲剧发生之后，美国采用的确保悬索桥抗风稳定性的方法主要是两种。一种是采用桁架加劲梁和开敞式的桥面使涡旋分散的方法，另一种是由自重增加刚度的方法。北美抗风对策的实质是桁架和重量。
2. 欧洲抗风方式的改进
欧洲的技术人员开始注意到了一种新的途径，例如采用扁平的翼型断面（Airfoil or Aerofoil Section）以减小风的作用力或者抑制涡旋的产生。加劲梁由桁架向翼型断面箱梁的转变使悬索桥变得更加轻，更加经济了。
箱梁的另一个优点是和桁架相比，风的抗力仅为1/3，由于塔顶主缆传来的水平反力是由桥面系70%的风力而产生的，风的抗力减少至1/3，无疑对塔的设计带来很大的影响”。
采用这种方式的赛文桥由于忽视了悬索桥的重量而造的太轻了，在风作用和车辆行驶作用下，成为极敏感的结构。风洞试验的结果，虽然没有出现塔科玛桥那样的破坏振动，但却总是常常出现发出嘎啦嘎啦响声的振动。
3. 20世纪末的悬索桥
20世纪才真正是长大悬索桥的发展时期，日本架设了跨度近2 000m的世界第一的明石海峡大桥。
桥梁是使行人、车辆安全通过的结构物，因此设计时，不仅对人群和车辆荷载，而且也应对台风、地震等自然界的外力作用。一般而言，桥梁结构随着跨度的增加，地震的影响却变小，对风的考虑却变得极为重要。其原因是无论怎样的地震，其能量的峰值大约在比1~2s还短的周期处，难以激起固有周期最大可达30s左右的超长大悬索桥的共振现象。
下表是遭受重大风灾的悬索桥一览表，悬索桥的风灾与跨度无关，其原因是不同的风速作用下，悬索桥可能产生不同的不稳定现象。
遭受风灾的悬索桥一览表
序号 桥名 所在国家 跨度 跨桥时间
1 干镇修道院桥 英国 79 1818
2 联合桥 英国 137 1821
3 纳索桥 德国 75 1834
4 布莱顿桥 英国 78 1836
5 蒙特罗斯桥 英国 132 1838
6 梅奈海峡桥 英国 177 1839
7 罗奇伯纳德桥 法国 195 1852
8 威灵桥 美国 309 1854
9 尼亚加拉――利文斯顿桥 美国 317 1864
10 尼亚加拉――克利夫顿桥 美国 384 1889
11 塔科玛桥 美国 853 1940
4. 采用拉索系统的新桥型
采用拉索系统提高流线型的扁平箱梁形式悬索桥颤振临界风速的研究已在活跃的进行。
（1）竖断面交叉索方式
竖断面交叉索方式是用细的拉索将悬索桥的加劲梁和主缆横向连接，从而提高耦合颤振的临界风速。这种方式，常常也称为横吊杆方式，但是吊杆是有恒荷载的初期应力的，初期恒载应力的成为横吊杆方式，无初期恒载应力的则称为横拉索方式。
（2）主缆上交叉索方式
悬索桥以对称振型扭转振动时，主塔的两根塔柱则相对于桥轴方向反相位振动，将主缆用拉索横向连接的主缆上交叉索的方式。悬索桥以反对称振型扭转振动时，主塔在桥轴方向几乎不移动，在实际设计时，常将前述的竖断面交叉索方式和本方式合并使用。
（3）单缆方式
悬索桥的加劲梁传统的做法是通过吊杆悬挂在两根主缆上的，而如果主缆只有一根，吊杆和加劲梁成三角形的算索桥称为单缆方式。和传统的两根主缆方式相比，加劲梁会有大的扭转变形，因此，在风作用下，有在更低的风速区发生扭转颤振的危险，设计时必须注意。
（4）双缆单鞍座方式
两根主缆在主塔附近集束成一根的方式称为双缆单鞍座方式。
（5）分裂型悬索桥方案
这种方案主要是为了提高悬索桥的横向稳定性，2 个分离的桥面分别悬吊在2 个分离的桥塔和缆索系统，并用横向连接系连接2 个分离的桥面。这种体系具有更大的扭转刚度。同时,风洞试验表明这种悬索桥方案也具有良好的气动稳定性。
（6）刚性吊杆
传统悬索桥设计中，基本都采用高强钢丝或钢绞线组成的柔性吊杆。采用刚性吊杆主要是为了减少2根平行主缆之间的竖向相对位移，约束桥面的扭转振动，从而提高悬索桥的扭转刚度。当刚性吊杆布置在中跨的1/3 处附近时，能够有效地提高悬索桥的扭转频率，颤振临界风速也可以提高到原来的60% 左右。
5. 空气动力学措施
气流绕过桥梁截面时，发生相互作用而产生空气作用力，而截面气动外形的改变势必会影响到空气力。因此，改善气动稳定性的另一途径是通过改善桥梁断面的外形来减小气动力。
（1）边缘风嘴措施
在加劲梁截面两端设置风嘴，可以改善气流绕流的流态，减少涡脱，使截面趋向流线型。颤振分析和试验研究表明，这种措施能有效地提高悬索桥的颤振稳定性，而且风嘴的尖端角度越小，对颤振稳定性的改善越大；而在尖端角度相同的情况下，尖端长度较大的风嘴的气动性能就越好。
（2）中央开槽措施
传统的流线型箱形断面中间开槽，可以增加透风率，减小加劲梁顶底面的压力差。试验和分析都显示中央开槽的闭口箱梁的颤振临界风速将得到一定程度的提高，而且随着开槽宽度的增加桥梁的颤振临界风速会继续上升。在Messina 海峡桥方案的研究中，理论分析和风洞实验的结果都表明，采用开槽箱形主梁断面，可得到令人满意的抗风性能。
（3）分离箱梁方案
分离式箱梁设计，实际上是箱梁中心开槽思想的拓展, 即通过分离箱梁间的开放空间增加透风率，减小加劲梁顶底面的空气压力差从而增加气动稳定性。同时这一方案保持了传统闭口箱梁结构的优点，如空气阻力系数小、涡振性能好等。
6. 机械措施
机械措施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2 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，利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。根据控制原理的不同又可分为主动控制和被动控制。
（1）阻尼器
为了间接地提高结构的阻尼，调谐质量阻尼器(TMD ) (下图) 在土木结构中得到了广泛的应用。TMD 是由质量块、弹簧和阻尼器组成的一个复杂的机械装置，是一种不需要能量供给的减振装置，其制振减振原理是将主结构的振动能量传递到频率相近的阻尼器上，然后加以耗散，从而达到减小结构振幅的目的。调质阻尼器除了可以有效改善大跨桥梁的抖振和涡振性能外，还能提高桥梁的颤振稳定性。
（2）主动控制措施
控制面的主动控制措施是在加劲梁的迎风、背风边缘安装上控制面，如图a所示。这些控制面完全与加劲梁分离，以避免造成二者之间的气动干扰。通过合理地反馈控制，利用主动输入的能量调整控制面运动的振幅和相位，以产生对系统振动起稳定作用的气动力，来达到抑制颤振发生的作用。为了保证超大跨径悬索桥的抗风稳定性，已有研究中提出了如图b所示的各种控制方法，主要有在主梁上安装可动翼板、在桥梁的迎风侧安装竖直可动板以及在主梁的迎风和背风面安装可动板或可动风嘴等。
a.主动控制原理示意
b.主动控制方法
控制面主动控制的优点是几乎可对任意风速都能进行反馈控制抑制颤振发生，其缺点是需要致动器、传感器、控制设备(执行、实现控制流) 和外部能量输入等较复杂的控制系统。（3）被动控制措施
被动控制措施都采用固定在桥梁迎风或者背风面的翼板形式，如下图所示，以此来增加扭转或垂直振动阻尼，同样也可增加耦合振动阻尼。
被动控制方法
分析表明，在主梁上方和背风侧布置翼板，可以明显提高悬索桥的颤振临界风速。但在迎风侧和背风侧都布置翼板的方案，对提高悬索桥的气动稳定性效果却不大。为了解决墨西拿海峡桥的颤振问题，设计组提出了在分离梁基础上，再在主梁上方安装翼板（其与主梁上的外侧风屏连接在一起），由于翼板可对扭转振动与弯曲振动提供非常大的气动阻尼，故该桥的颤振稳定性还有大幅度的提高，临界风速将超过100m/s。因此，在墨西拿海峡桥的最终设计中，两种气动措施均被采用。
采用控制面进行被动控制的方法，虽然不像主动方法那样可对任意风速都能解决颤振问题，但这种方法显然更为简便、可靠，易于为桥梁工程师所接受。
7. 超长大跨悬索桥的可能
在20世纪桥梁工程取得巨大成就的基础上，21世纪的世界桥梁工程将进入建设跨海联岛工程的新时期。日本本州一四国联络线工程和丹麦大小海带桥的建成是20世纪的里程碑。
在21世纪上半叶，已经规划多年的洲际跨海工程，如欧非直布罗陀海峡通道，欧亚博斯普鲁斯海峡第三通道以及欧美白令海峡工程将有可能付诸实现。在欧洲、英伦三岛、挪威沿海诸岛、德国和丹麦之问的费曼海峡以及意大利的墨西拿海峡也都将实施跨海工程建设。在亚洲，东北亚的日本和朝鲜有可能通过朝鲜海峡的跨海工程建设陆路通道。
中国的崛起令世界瞩目。已开始跨海工程的前期工作如上海的崇明越江通道和杭州湾通道，珠江E1的伶仃洋通道都在进行工程可行性的研究，舟山联岛工程也已开始实施。可预计21世纪的中国将在桥梁建设中做出辉煌的成就，屹立于世界桥梁强国之列。
众多的跨海工程，需要面对更加严酷的自然环境，不仅仅是技术的问题，也是经济的问题，需要研究的内容众多，需要研究的重点项目有：
（1）超长大悬索桥抗风设计：加劲梁断面形式、缆索系统以及新型悬索桥的长期开发研究；
（2）超长大悬索桥的设计、施工；以减少建设费用、缩短工期为目标的施工方法以及新拉索材料的长期开发研究；
（3）长大多跨悬索桥合理的设计、施工方法的开发研究；
（4）大深度基础的设计、施工：能够应用于大深水或大深度软弱地基的已有基础形式设计、施工方法的延伸、扩大以及新型基础的长期开发研究；
（5）超长大悬索桥的抗震设计：针对近距离大规模地震的设计用地震动的设定方法、基础的动态稳定校核法以及提高阻尼的减振技术的开发研究。
参考文献：
周世忠.中国悬索桥的发展.桥梁建设2003,Vo1.0030(O5)
陈政清.桥梁风工程.人民交通出版社，2005.5
雷俊卿，郑明珠，徐恭义.悬索桥设计.北京:人民交通出版社，2002.
项海帆.现代桥梁风理论与实践.北京:人民交通出版社，2005
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
页:
[1]