桥梁结构风致振动的探讨

孙国明1,张　彬1,周　涛2

(1.辽宁工程技术大学土木建筑系,辽宁　阜新　123000,2.枣庄市公路管理局,山东枣庄　277100)

[提　要]　风对桥梁的作用是十分复杂的现象。随着桥梁结构的大跨度发展,桥梁对风作用反应的敏感和复杂逐渐成为设计的控制因素。文章就桥梁抗风设计的历史和风致振动的研究现状做了分析,同时探讨了特大跨度桥梁待研究的风致振动的控制问题。

[关键词]　特大跨度桥梁;风致振动;抗风设计

[中图分类号]T U312+.1　[文献标识码]A　[文章编号]1007-9467(2001)03-0029-02

一、引言

风致振动,自1940年秋,美国华盛顿州建成才4个月的T acoma吊桥在不到20m/s的8级大风作用下发生破坏事故以后,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。我国自70年代起斜拉桥蓬勃发展,跨度日益增大,与此同步,斜拉桥和吊桥的风致振动理论与实验研究也结合工程实际迅速发展,并取得了一些有价值的研究成果。

二、桥梁结构风致振动理论的发展

大跨度桥梁呈现结构轻柔、低频和低阻尼的力学特征,导致桥梁对风的作用更加敏感和对风的反应更加复杂。40多年来,在结构工程师和空气动力学家及诸多领域专家的共同努力下,基本上弄清了各种风致振动的机理。

风对桥梁的作用是十分复杂的现象,它受到风的自然特征、结构的动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。气流绕过一个振动着的物体时将对物体产生气动力,且是非均匀可变的。桥梁的实际情况要复杂得多,因为近地风是稳流风,而且大多数桥梁都是非流线形的。紊流风场对振动着的非流线形截面所产生的非定常空气力无法用解析形式表达出来,而只能通过风洞实验来确定。1935年,Th.Theodors on从理论上研究了薄平板的空气作用力,用势能理论求得了非定常空气力的解析式。1938年,Th.V on K arman也得出同样结果。1948年Fr.Bleich用Theodors on的平板空气力公式来解决悬索桥的颤振分析,得出了带平板桥道的悬索桥颤振理论。对于扁平的流线形断面可能发生类似机翼的弯扭耦合颤振。对于非流线形断面则易发生分离流的扭转颤振,通过将桥梁的横断面与飞机机翼进行类比,1971年,Scanlan提出了桥梁颤振和对气动导数的识别方法。

1940年,Den Hartog在观察到结冰电缆在大风中的大振幅弯曲振动时,首先将这一不稳定振动现象定名为“驰振”,并用负升力斜率理论解释桥梁的驰振。当钝体截面受到均匀流的作用时,截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的空气作用力———涡激力。当被绕流的物体是一个振动体系时,周期性的涡激力将引起体系的涡激振动。并且在漩涡脱落频率和结构自振频率一致时将产生涡激共振。V on K arman等人首先用涡激振动解释桥梁的风振现象。Scanlan 在基于V on der put振子运动方程的基础上,提出了运用于大跨度柔性桥梁的涡激振动分析方法。

紊流中的脉动成份使结构产生的强迫振动———抖振,逐渐成为桥梁抗风设计中日益重要的课题。对大跨度桥梁结构的抖震进行研究是从Daven port开始的,他在随机振动理的基础上将机翼抖震分析的方法移植到桥梁抖振分析中,首先提出了桥梁的抖振理论。70年代,Scanlan又进一步完善,Y.K.Lin将自激气动力中的气动导数视为随时间变化的随机函数,分析了抖振力对桥梁气动稳定的影响。我国学者项海帆等人通过对桥梁抖振的研究,采用同时考虑抖振力和自激力作用的频域分析法,使风致振动理论的发展又进一步。

三、桥梁结构的风致振动控制

为尽量避免驰振的动力不稳定现象,减少抖振、涡激振的振福,并使其尽快平息,如何保证桥梁结构在风振情况下的安全性及稳定性已成为非常重要的课题。我国学者李国豪等根据桥梁抗风设计包括静力抗风和动力抗风,而把桥梁的抗风减振措施分为改善结构总体特性和改善结构断面的流动性能两类。1972年J・T・P・Y ao提出了结构控制的概念,将控制论引入了土木工程结构之中,从而开辟了崭新的研究领域。80年代以来,桥梁风振控制理论研究发展迅速,

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工程建设与设计　　　　　　　　　　　2001年第3期　　　　　　　　　　　　　　总第167期并且得到了实际应用。按桥梁结构的风振控制方式可分为被动控制,主动控制,半主动控制和混合控制。

被动控制不需要提供外部能源,可分为气动措施和机械措施。气动措施是通过修改结构断面形状或安装风嘴,导流板等空气稳定装置,改善绕过断面的气流形态,以减少风振的空气力。截面的端头外形十分重要,添加风嘴或裙板将改善绕过时的流态,减少涡脱,使截面趋向流线形。相反,桥面的防撞拱杆、透风度低的栏杆是不利的因素,带悬臂的截面与钝头的截面相比有较好的气动性能,而且悬臂越长,稳定性越好。采用桥面局部开槽的透风措施证明是十分有效的。对于超大跨度的桥梁由于频率很低,就必须采用这种措施才能保证足够的气动稳定性。一些附加的抑流板、导流板和扰流板是减少抖振反应的有效措施。但须指出的是,由于各种风致振动的机理不同,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并不大,甚至可能引起相反的结果。因此要结合周围的风环境、结构截面的基本形状、以及美观要求进行综合考虑,通过风洞实验的验证来选择适当的抗风措施。机械措施则是通过增加结构刚性、质量、阻尼而减小振动,由于机械措施如调谐质量阻尼器(T M D),调谐液体阻尼器(T LD)等仅对窄频带随机激励有效,可以看出它有一定的局限性。但其造价低廉,易于实现,目前已得到广泛应用。制振措施应能从根本上解决风致振动的问题,因而应首先考虑采用减少或消除风振空气力的气动措施,但由于种种条件的制约,还必须考虑机械措施或把两者结合起来效果会更好。

主动控制是利用外界提供的能力使安装在结构上的控制器装置动作以达到控制振动的目的。根据控制的对象是激振力输入或振动反应输出可分为前馈控制和反馈控制。日本曾先后在东京弯彩虹桥主塔、明石海峡大桥主塔、白鸟大桥主塔、来岛大桥主塔的施工中成功地使用了主动控制装置AM D(Active Mass Damper)。然而,要把主动控制装置技术广泛地运用到桥梁结构抗风制振中还有许多工作要做,尤其是怎样解决提供巨大的外部能源和能源的可靠供应以及控制法则的正确选用等问题。当桥梁的跨度超过3000m 时,日本专家藤野阳三认为就该考虑采用主动控制了。

半主动控制的概念是J.C.H.Chang和T.F.S oong提出的,它保留了主动控制方法中的一些优点,同时减少了采用主动控制时所需要的大量外部能源及其装置,是一种适用于具有相对较低频带响应的结构振动控制方式。

混合控制则是通过调节副振动体系的刚度和阻尼实现振动控制的,是被动控制和主动控制方式的组合,具有所需外部能源小,即使停电也可作为被动控制运作的优点。同时,一种新的混合控制方法有待于深入研究,它是将主动控制与被动控制间隔交替进行,突出特点是能够减小由于风振而产生的共振现象。

四、特大跨度桥梁待探讨的抗风制振问题

全世界当前最大桥梁工程———本州四国跨海大桥系列工程,主要是通过综合性的大型工程公司进行设计、施工和科学研究来完成的。这种将材料革新、电子计算机技术、预应力思想、自架设体系思想等融为一体的研究与实施必将使桥梁结构向特大跨度方向发展迈出更大一步。

特大跨度桥梁对风的作用更加敏感、对风的反应更加复杂,而且周期长,在施工期间很有可能遭受强风袭击。因此应对其成桥后和施工状态下的风振理论及控制进行进一步的研究,主要有:

(1)特大跨度桥梁结构体系的空气动力稳定性研究及相应的全桥模型实验。

(2)数值模拟风洞及空气的动力稳定性计算的计算机仿真技术研究。

(3)空气动力参数的识别方法、评价及相应的风洞试验。

(4)施工阶段空气动力稳定性研究及相应试验。

(5)空气振动的控制理论、控制措施、装置及相应的试验研究。

(6)风障设置的原则、结构形式、设置范围及其对桥梁空气动力稳定性的影响和经济性分析。

以上问题的研究和解决势必为特大跨度桥梁的建造产生直接的指导作用,使特大跨度桥梁的建设和使用更加科学、经济、可靠。

五、结论

1.本文就风致振动理论的发展作了概述和总结;

2.对桥梁结构风致振动控制提出了新的观点;

3.特大跨度桥梁风致振动控制技术将成为研究的热点,试验仍将以风洞为依托,随着计算机技术的不断更新、进步,数值风洞技术可望有新的突破。

[参考文献]

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道

出版社,1996.

[2]项海帆,等.公路桥梁抗风设计指南[M].北京:人民

交通出版社,1996.

[3]方明山.20世纪桥梁工程发展历程回顾及展望[J].

桥梁建设,1999,(1):58～60.

[4]刘西拉.结构工程学科的现状及展望[M].北京:人

民交通出版社,1997.

[收稿日期]2001-01-

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蚌埠卷烟厂经营部营业大楼

机械工业部第一设计研究院供稿

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总第167期　　　　　　　　　　　　　　2001年第3期　　　　　　　　　　　　工程建设与设计