桥梁抗风设计分析

桥梁抗风设计分析

陈仕国

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵州贵阳 550081

摘要：桥梁设计对于交通行业的发展有着至关重要的意义，在施工过程中，保证桥梁建设的合理性也愈发关键。本文阐述了桥梁抗风设计的意义，从桥梁强迫共振与自激振动两方面入手，探讨了切实提高桥梁抗风设计的方案。旨在提高我国桥梁施工质量，为人们的生产生活提供保障，加强国家的综合国力。

关键词：桥梁；抗风设计；涡激共振；颤振

引言：近年来，随着城市化发展加快，桥梁建设也在不断增加。但在桥梁设计施工过程中，部分设计人员缺少对桥梁防风设计理念与技术含量的深入研究，缺乏针对相关技术水平的专业性了解，导致桥梁的防风性不达标，影响使用年限。因此，应提高设计施工人员的重视程度，采用合理的技术手段，改善桥梁抗风性能。

1桥梁抗风设计分析意义

风灾是常见的自然灾害之一，也是威胁桥梁安全的主要因素，它不仅影响了人们的正常出行，更会对桥体本身造成伤害，严重者更会直接摧毁桥梁。在传统的桥梁设计环节中，设计人员往往会忽视风对于桥梁的影响作用，导致完工桥梁存在着较多的安全隐患。近年来，随着桥梁跨度的增加，造成桥梁受风影响而变形的原因探讨也越来越受到人们的重视。通过研究表明，桥梁风灾影响主要分为两种，一种是强迫共振，另一种是自激振动。强迫共振能够造成桥梁结构疲劳，影响行车的安全性与舒适性，而自激振动的振力较强，对于桥梁有着毁灭性打击^[1]。

在进行桥梁设计过程中，如何实现在建造当地的最大风速环境下，桥梁结构不会出现毁坏现象，保证其安全、可靠，成为当下桥梁抗风设计的主要问题。在使用年限内，桥梁的强度应符合设计要求，避免出现静力失衡情况。应尽量减少强迫共振的发生概率，降低结构疲劳对于桥梁质量的影响，保证桥上行车安全。利用气动措施、机械措施、结构措施等技术手段，提高桥梁的抗风能力，做好桥梁抗风工作。

2控制强迫振动，抑制涡激共振

涡激共振是指从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。当漩涡频率与桥梁本身振动频率相差无几时，漩涡脱落频率会被锁定，从而出现涡激共振现象。作为一种强迫振动，涡激共振虽然不具有毁灭性质，但会产生一定的动力，对桥梁本体造成结构疲劳，影响桥上行车的舒适性和安全性。在利用抑制涡激共振实现桥梁抗风设计过程中，常见的建筑手段有设置倒角、安装导流板等

2.1设置倒角

通过对桥梁吊杆截面设置倒角，能有效减小吊杆气动外形的漩涡脱落规模，减轻漩涡力，提高桥梁抗风效果。一般情况下，设置倒角是通过安装质量调谐阻尼器TMD，或者液体质量双调谐阻尼器TLMD来实现抑制涡激共振。如南京大胜关长江大桥，作为京沪高速铁路和沪汉蓉铁路的越江通道，在建造过程中利用切角钢箱吊杆设计，在建成后有着12厘米左右的振动现象，安装双调谐阻尼器后成功抑制了涡激共振。此外，在经济条件允许的情况下，根据不同的施工环境，可以通过格构式吊杆或钢板式吊杆来改善桥梁抗风性能。

对于某些在施工期间处在自立状态下的桥梁，特别是针对某些钢制桥梁，极易出现涡激共振现象。这时利用设置倒角等气动措施，能有效抑制或缓解涡激共振带来的影响，当顺桥方向与侧桥方向来风时，截面的倒角能够使漩涡的分离点向后移动，减小漩涡脱落规模，提高桥梁抗风能力。经试验数据表明，圆角截面的阻力系数最小，能够实现漩涡脱落的最大化抑制，降低涡激力。

2.2安装导流板

导流板原是用于汽车制造过程中，装在车子的后部，学名叫做定风尾翼，其表面相当于倒过来的机翼，上面是平面，下面为曲面。车辆高速行驶时，尾翼下方的空气流速大于上方，就是说尾翼上方的空气压力大，所以会产生一个向下压的力量，提高车辆高速稳定性。在桥梁建设中安装导流板，能够有效减小分离涡尺度，降低涡激共振对桥梁产生的影响。安装导流板的工作原理是通过抑制流动分离，形成高速的气流，减小漩涡脱落规模，从而阻碍大型漩涡的形成。根据实验数据表明，当导流板与水平线的夹角在15度左右时，能够最大程度减缓涡激共振带来的影响。

3控制自激振动，增强颤振稳定

桥梁颤振是一种桥梁的发散自激振动，它的结构毁灭性强，能够对桥梁造成严重破坏。在进行桥梁抗风设计时，要考虑其可能存在的破坏性纯扭转或弯曲扭转隐患，当达到临界风速后，振动的主梁通过气流的反馈作用不断吸收能量克服结构自身阻力，导致振幅逐步增大，最终破坏整个桥梁建筑。颤振几乎可以发生在任意一种主梁的截面形式中，美国塔科马海峡大桥是位于美国华盛顿州塔科马的两条悬索桥，1940年7月1日，在风速低于25米每秒的环境中，由于分离流引发桥梁扭转颤振，导致主梁变形。调查显示这次事故是由于该桥的两侧是由密不透风的硬性形状组成，主梁的抗扭度较弱，易产生大型漩涡，导致漩涡脱落引发颤振。一般来说，设计师为控制桥梁自激振动，增强颤振稳定，会采用安装气动翼板、分体式结构以及安装风嘴并调整风嘴形状等方法。

3.1安装气动翼板

作为一种新型桥梁气动装置，气动翼板的实验研究已经受到了人们的广泛关注。它是一种应用于桥梁上的耗能装置，能够保证翼板上的空气可以有效消耗从主梁输入的气流能量，从而提高整个桥梁系统的颤振稳定性。根据风洞试验的验证结果显示，利用气动翼板能有效提高桥梁对于颤振的抑制作用，增强整体建筑结构的抗风性。

3.2采用分体式结构

分体式结构是一种特殊的截面，作为桥梁的重要革新形式，分体式结构对于颤振稳定性的减缓价值还处于探索阶段。其抗风原理是通过减小桥梁上下结构间的空气压差，增加气动阻尼，极大程度上提高颤振的临界风速。在设计原则上，应保证在不过分增大桥梁截面面积的条件下，实现颤振临界风速的最大化。如墨西拿海峡大桥主要就是由三个相互分离的流线型分体式结构组成，桥的上下气流几乎不会相互干扰，达到了颤振的稳定性要求。

3.3安装风嘴并调整风嘴形状

风嘴是安置于桥梁钢箱梁断面的特殊构造，由上、下游的顶、底板和腹板构成特定的形状，以达到改善断面气动性能、提高桥梁断面抗风稳定性的目的。桥梁风嘴能有效减少强风对桥面结构引起的谐振，破坏主梁端部大型漩涡形成，尤其是特大型桥梁,它是设计中不可忽视的辅助结构重要组成部分。风嘴一般分为三角形风嘴和弧线形风嘴，要根据不同桥梁建设条件选择不同的风嘴形状。例如，当风攻角较小时，主梁在三角形风嘴上部拐点处发生流动分离，形成较大的漩涡；而采用弧线形风嘴的主梁，没有发生流动分离，此时采用弧线形风嘴的颤振临界风速是高于三角形风嘴的。在现实桥梁养护工作中,由于风嘴处于空中悬臂状态,养护人员无法到达风嘴位置,给后期的桥梁风嘴维修养护工作带来一定的难度。在长时间的桥梁风嘴维修工作实践中,工作人员总结出了利用简易的平台结构,实现对大型桥梁风嘴的维修养护工作^[2]。

结论：随着现代化社会的不断发展，桥梁建设跨度越来越长，桥型越来越细，这就为桥梁抗风工作带来了一定的挑战。在进行桥梁抗风设计时，应该将理论与现实紧密结合在一起，通过对实验数据的对比分析，结合桥梁建造当地的风力气候，实现桥梁有效抗风。

参考文献：

[1]葛耀君,夏青,赵林.大跨度桥梁的抗风强健性及颤振评价[J].土木工程学报,2019,52(11):66-70+119.

[2]向茂,柴乃杰,王起才,等.基于改进相似权可拓理论的大跨径公路桥梁抗风稳定性评价[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2018,10(01):32-39.