桥梁抗风的常见措施及定性分析

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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：为升力系数；为模态频率；D为柱体的横风向投影尺寸；为发生涡激共振的临界风速；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

7、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

8、。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