桥梁抗风的常见措施及定性分析

桥梁抗风的常见措施及定性分析摘要：首先，分析缆索支撑体系桥梁主要构件风致振动的现象和本质，提出了抗风措施。其次，以1400m主跨的悬索桥、斜拉桥以及吊拉组合体系桥等缆索支承桥梁的主要结构型式为例，采用三维非线性抗风分析方法，进行了动力特性、空气静力和动力稳定性的分析和比较。最后，介绍桥梁基本结构的抗风性能分析，并以连续刚构桥和斜拉桥为重点介绍了最新的研究成果，提出桥梁抗风研究方面存在的几个薄弱点。关键词：桥梁抗风；风压；风振；措施；定性分析1研究桥梁抗风的必要性随着我国国民经济的迅速发展，对公路交通事业提出更高的要求，在宽阔的海域和水深河宽的大江大河，跨越能力大的缆索支撑体系桥梁(包括悬索桥和斜拉桥)将成为首先被考虑的桥型。纵观悬索桥的发展历史，可以认为其起源于中国，成熟于美国，革新于英国，进步在13本，普及在中国。目前被公认为跨越能力最大的桥型，1998年建成的明石海峡大桥其主跨已达到1991m．斜拉桥在200～500In跨度内与悬索桥相比有一定的竞争优越性。早期的斜拉桥由于计算方法和手段不能满足要求，材料松弛、拉索锚固困难、张拉不足等原因长期未能得到发展，索面体系仅限于稀索。近年来由于计算理论的发展，新材料的开发配合，施工技术的进步为斜拉桥的发展创造了一定的有利条件。但在风力作用下，大跨度悬索桥和斜拉桥容易生变形和振动。1940年主跨853m的美国塔科马在仅有19m／s的风速下，发生毁桥事故。斜拉桥方面，日本石狩河口桥和加拿大的Hawkshaw(Longsreek)桥等相继因风振导致加固。因此，大型缆索体桥梁的抗风稳定性研究应引起足够的重视。2大跨度缆索支撑体系的风振现象2．1主梁体的风振目前，大跨缆索支撑体系梁桥主梁一般采用扁平截面，由于其本身的抗扭刚度比较大，产生扭转发散振动所需的风速也较高。涡振发振风速较低，发生频率较高，容易使结构物产生疲劳、行车障碍以及诱发过桥者的不安全感，通过增大结构刚度来防止发生涡振是比较困难的。因此减少风振不仅需要选择良好的梁体截面，还要通过风洞试验来选用各种整流装置，如流线型风嘴、整流翼板等。2．2桥塔的风振一般来说，同等跨度桥梁的桥塔，悬索桥的桥塔高度大致仅为斜拉桥的一半，桥塔的风振，两者可以相互借鉴。桥塔塔柱常采用矩形，主要考虑涡振与挠曲驰振的问题。在架设主缆之前，桥塔由于高度较大'冈0度和阻尼相对较小，在小风速的情况下涡振的发生频率是很高的，常安装滑移块或调质减震器来增加塔柱的阻尼。由于桥塔是细长钝体结构，在气流中不断吸收能量，因此驰振的发生也是不可忽视的。当(升力系数的导数)0时，可能出现不稳定的驰振现象。常常通过风洞试验选择合适的桥塔断面来防止驰振的发生，如采用圆形截面和八角形截面。2．3索的风振由于拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼，在风荷载的作用下，拉索极易发生振动。拉索的风致振动包括涡激共振、尾流驰振、驰振、风雨激振等。拉索的大幅振动容易引起锚固端的疲劳或者毁坏拉索端部的腐蚀保护系统，影响拉索的使用寿命，严重时甚至要紧急封闭交通。拉索振动已成为大跨径斜拉桥要解决的严重问题之一。在风的作用下斜索的后流会产生交变涡流，成为卡门涡旋。当漩涡脱落的频率和拉索的某一阶自振频率接近时，则发生拉索涡激共振。涡激共振引起的拉索振幅可由下式近似计算：其中：LC为升力系数；kf为模态频率；D为柱体的横风向投影尺寸；wU为发生涡激共振的临界风速；2dm称为Scruton数，Scruton越大涡激振动幅度越小。由上式可以看出，增大拉索的质量和阻尼比可以降低拉索的振幅。当两根拉索沿风向斜时，来流方向的下游拉索比上游拉索发生更强烈的风致振动，称为尾流驰振。上游拉索的尾流区存在一个不稳定驰振区。如果下游拉索正好位于这一不稳定区中，其振幅就会不断加大，直至达到一个稳态大振幅的极限环。当两根拉索距离较远时超出尾流驰振不稳定区时，就不会发生尾流驰振。国外研究表明，发生尾流驰振的临界风速可近似表示为：式中：C为和上下游索距相关的常数。上式表明，发生尾流驰振的临界风速与模态频率成正比，与Scruton数的平方根也成正比。由上式可以看出，增大拉索的质量和阻尼比同样可以增大驰振的临界风速。风雨激振是在风雨共同作用下发生的拉索振动，是目前已知的拉索振动形式中最强烈的一种大幅低频振动。由于风雨激振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。其研究手段主要有现场观测、风洞试验和理论分析。3大跨度缆索支撑体系桥梁的抗风措施3．1结构构造的制振方法增加扭转刚性对提高大跨度桥梁设计的发散振动极限风速是非常有效的。如在加劲桁架上设置无钢筋网络相连的行车道桥面结构时，采用设置上下横梁的方法形成准闭合断面可以显著增加扭转。另外，还可以在缆索支撑桥梁上加一些辅助设施同样可以提高其抗风稳定性。比如，在悬索桥的主缆与主梁之间加中央扣可以大大提高发散风速。3．2空气动力的制振方法断面形状对于对风敏感的结构是否稳定有重要的作用。通常流线型断面的形状要比钝体断面的抗风性能好得多。但当采用薄翼型的断面时，受水平风作用时，有产生涡激振动的可能，薄的流线型断面在有迎角的风作用下，易产生颤振，所以对于各种流线型断面的选择也要慎重考虑，通常通过风洞试验进行试验确定。另一种增加抗风稳定性的方法是采用桁架断面。由于其通风空间较箱形断面大得多，所以静风阻力小得多。此外，常采用在上部结构安装一些附属设施来减小风振，如翼板、导流器及绕流器等。3．3机械构造的制振方法由于缆索体系桥梁的跨度较大，桥梁结构更轻更柔，结构的阻尼特性减弱，造成风和车辆等因素激励下结构响应值加大，故常需要增加结构的阻尼来抑制风振。常常采用被动抑振(如TMD，TLD或ID)和主动抑振(AMD)。被动抑振又分为调谐附加质量方法(如TMD等)和非调谐质量法(如ID冲击阻尼器)。主动抑振方法是采用计算机系统进行监控，如达到需要抑振时，自动驱一套装置改变质量分布、刚度或阻尼等方法来抑振。4桥梁抗风稳定性的分析与比较以1400m主跨的悬索桥、斜拉桥以及吊拉组合体系桥为例，采用三维非线性抗风分析方法，进行了动力特性、空气静力和动力稳定性的分析和比较，并探讨了具有良好抗风稳定性的缆索支承桥梁结构型式．4.1动力特性分析采用基于子空间迭代法的动力特性有限元分析程序，考虑结构的几何非线性因素，分析了成桥状态结构的前2O阶振型，以1400m主跨的三种桥型悬索桥、斜拉桥和吊拉组合体系桥的主要振型频率值见表1．分析时，结构离散为三维有限元计算模型，当中桥面主梁采用鱼骨梁式计算模型，桥面主梁和桥塔等构件简化为空间梁单元，主缆、吊杆和斜拉索则简化为空间杆单元，主梁和吊杆或斜拉索之间采用刚性横梁模拟．表1不同桥型主要振型的频率值(Hz)注：注：1)数字表示振型阶数；S表示对称振型；AS表示反对称振型．从表1结果比较可以看出，吊拉组合体系桥的一阶对称竖弯和侧弯频率最大，其它的振型频率都处于悬索桥和斜拉桥之间，但与悬索桥相比有较大幅度的提高．这主要是由于悬吊部分和斜拉部分的共同作用有效地提高了吊拉组合体系桥的结构刚度．与其它振型频率相比，斜拉桥和吊拉组合体系桥的扭转频率比悬索桥高出很多，这对于提高其抗风稳定性是有利的．4.2空气静力稳定性分析在O。风攻角下，采用三维非线性空气静力分析程序对悬索桥、斜拉桥和吊拉组合体系桥进行了随风速增加的空气静力特性分析．分析时，桥面主梁考虑了静风荷载的阻力、升力和升力矩三个分量的共同作用，由于三座桥梁的主梁断面形状与润扬长江大桥非常相似，因此相应的静力三分力系数都取用了润扬长江大桥节段模型风洞试验结果；主缆、斜拉索和桥塔仅考虑阻力分量的作用，主缆和斜拉索的阻力系数为0．7，桥塔的阻力系数为2．0．主梁跨中点的横向、竖向以及扭转位移随风速增加的变化趋势如图4所示．由图1可以看出，悬索桥在90m／s附近时竖向和扭转位移急剧增大，说明结构已经开始由稳定状态转为不稳定状态，达到了失稳的临界状态．与吊拉组合体系桥相比，斜拉桥的侧向和扭转位移明显增大，而竖向位移基本一致．综合比较可知，在所分析的风速范围内吊拉组合体系桥的位移最小，而且未出现失稳的迹象，因而其空气静力稳定性最好．图1不同桥型的主梁跨中点位移随风速增加的变化趋势4.3空气动力稳定性分析采用三维非线性空气动力稳定性分析程序，在0。风攻角下，对悬索桥、斜拉桥和吊拉组合体系桥进行了空气动力稳定性分析，空气动力失稳的临界风速如表2所示．分析时，桥面主梁的气动导数均取用润扬长江大桥节段模型风洞试验结果，结构的阻尼比为0．5.表2不同桥型的空气动力失稳临界风速可以看出，在相同主跨情况下，斜拉桥的空气动力稳定性最好，其次为吊拉组合体系桥，悬索桥最差．究其原因可以从表1所示三种桥型的主要自振频率结果中得到解释．与悬索桥相比，斜拉桥和吊拉组合体系桥的竖向弯曲尤其是扭转振动频率有显著的提高，而扭转频率的提高对于改善桥梁的抗风稳定性是十分有利的．因此，说明了在抗风性能上相同主跨的斜拉桥和吊拉组合体系桥要好于悬索桥．4.4分析结果结果表明：吊拉组合体系桥刚度大，抗风稳定性好，是一种具有良好抗风性能的缆索支承桥梁结构型式．5桥梁抗风性能分析5.1桥梁抗风性能分析简介气流绕过一般非流线型外形的桥梁结构时，会产生涡旋和流动的分离，形成复杂的空气作用力。当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动，这种空气力作用只相当于静力作用；当桥梁结构的刚度较小时，结构振动得到激发，这时空气力不仅具有静力作用，而且具有动力作用。在过去相当长的时间内，人们把风对结构的作用仅仅看成是一种由风压所引起的静力作用，直到1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的塔科马悬索桥在不到20m／s的8级风作用下发生强烈的振动而坍塌，才结束了单纯考虑风压静力作用的历史。风的动力作用激发了桥梁风致振动，而振动起来的桥梁又可能反过来改变流场和空气力，形成风与结构的相互作用。当空气力受结构振动影响较小时，空气力作为一种强迫力，主要导致桥梁结构的强迫振动——随机抖振；当空气力受结构振动影响较大时，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动——颤振或驰振。桥梁风振理论一般可按桥梁风振的不同形式分成4种，即桥梁颤振理论、桥梁驰振理论、桥梁涡振理论和桥梁抖振理论。5.2桥梁抗风性能分析研究近况5.2．1连续刚构桥大跨度刚构桥由于其施工和造价上的优势成为一种很有竞争力的桥型。但由于其上部结构悬臂施工长度大、自重大，墩体又常采用薄壁墩，其最大双悬臂状态的振动频率往往较低，因而风致振动和风致结构内力就成为桥梁设计、施工者们十分关心的问题。闻生、于向东等人通过宜昌长江铁路大桥双悬臂施工中的风荷载计算，提出采用数值模拟计算的方法确定空气静力系数。它无需试验设备，特别是能模拟复杂的几何外形绕流或湍流问题，流场可视性好，现已被越来越广泛地应用到工程研究中，成为桥梁与结构抗风研究的重要手段之一，为大跨度预应力混凝土薄壁柔性墩刚构桥抗风计算提供了一种简便、经济的方法。利用数值模拟得到的空气静力系数，并考虑阵风效应，计算得到了宜昌大桥悬臂施工阶段控制截面的风载内力。郑史雄等人以主跨为190m的预应力混凝土三跨连续刚构桥作为研究对象，通过气弹模型风洞试验，讨论了平行幅迎风侧梁与背风侧梁的6分力特性，不同风向偏角对刚构桥风致响应的影响。然后结合试验结果和数值计算，比较分析了横向连系对平行两幅梁风致响应的抑振作用。分析表明，对于由平行两幅箱梁组成的大跨度刚构桥，其悬臂施时将两梁横向相连对减少结构的风振横向响应是十分有而便利的。气弹模型试验中，由于主梁的竖摆和横摆两基阶模态主取决于双壁墩的刚度，因而在设计模型时，可仅要求双壁满足弹性参数和质量参数一致性条件；主梁满足质量参数一致和墩顶处弹性参数一致性条件。这样设计模型的好处于，模型主梁制作时不必采用传统分段留有缝隙的做法，而使模型主梁的气动外形达到与实桥完全几何相似，最大限度地降低对主梁绕流相似性的损害。经流场模拟，均匀流场6分力试验，紊流场中的试验验了其安全性。并提出结构的风载内力由两部分组成，即风振动引起和静风荷载引起的内力。对