风振对桥梁工程损害及防治.doc

风振对桥梁工程损害及防治摘要：风对桥梁的作用是一种十分复杂的现象，随着桥梁跨径的不断增加，风振现象也越来越受到工程界的关注。本文针对抖振、涡激共振、风雨振等风致振动对大跨度桥梁的结构安全形成不可忽视的影响,探讨了大跨度桥梁抗风设计原则与风致振动的控制,提出了改善桥梁结构和增加机械阻尼等方法。关键词：大跨度桥梁;风致振动;抗风设计1引言 1940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的主跨853m的塔科马悬索桥在风速不到20ms的8级大风袭击下发生了当时还难以理解的强烈振动，奇妙的风竟使桥面扭曲翻腾而且振幅愈来愈大。直至使桥面倾翻到45度，最终导致桥粱的折断坠入峡谷之中。这次事故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, 1999年10月,主跨1385m的江阴长江公路大桥的建成通车,使我国成为世界上能自主设计和建造千米级悬索桥的第六个国家。中国改革开放以来已经建成了百余座缆索承重桥梁,其中包括10座悬索桥和近20座跨度超过400m的斜拉桥。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。2 桥梁结构风致振动理论 风灾是自然灾害中发生最频繁的一种，桥梁的风害事故屡见不鲜。风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约。当风绕过一般为非流线型作用截面的桥梁结构时，会产生旋涡和流动的分离，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，这种空气力的作用只相当于静力作用。当桥梁结构的刚度较小时，结构振动受到激发，这时空气力的作用不仅具有静力作用，而且具有动力作用。2.1 风的静力作用 静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险，是主要的计算对象。它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。在桥梁的静风作用分析中，通常将风荷载换算成静力风荷载，作用在主梁、塔、缆索、吊杆等桥梁构件上，进行结构的计算分析。2.2 风的动力作用风的动力作用指结构在风作用下的空气弹性动力响应，它一般可分为两大类：第一类，自激振动：在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。若颤振和弛振达到临界状态时，将出现危险性的发散状态。第二类，强迫振动：结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，由于脉动风的随机性质，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应(阵风响应)称为抖振。涡激振动虽然带有自激性质，但它和颤振或驰振的发散性振动现象不同，其振动响应是一种限幅的强迫振动，故该类振动具有两重性。2.2.1 涡振风流经过各种断面形状的钝体结构时，在其断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落，产生交替变化的涡激力而引起的结构振动称为涡激振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。通常情况下，涡激振动的振幅很小，但当旋涡脱落频率与结构的固有频率相接近时，流体与结构间产生强烈的相互作用引起涡激共振。同时也将产生“锁定”现象。对涡激振动响应的分析，通常采用升力振子模型、经验线性模型和经验非线性模型等来研究。2.2.2 颤振对照旋涡脱落现象，振动的桥梁从流动的风中吸收能量，由此引起的不稳定被称为自激振动或颤振。颤振是一种危险性的自激发散振动，其特点是当达到临界风速时，振动着的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量，而该能量又大于结构阻尼所能耗散的能量，从而使振幅增大形成一种发散性的振动。对于近流线型的扁平断面可能发生类似机翼的弯扭藕合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振。颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只有精心分析与设计，辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。2.2.3 抖振 抖振可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果。按来流的不同可分为：上游临近结构物尾流引起的抖振；结构物后本身紊流引起的抖振；大气紊流引发的抖振。实际上，桥梁结构中最为常见的是大气紊流成分引起的抖振。结构的抖振虽然是限幅的随机强迫振动，但由于诱发抖振的风速较低，过大的抖振响应还将导致构件较大变形以及结构局部疲劳，同时会引起行人或行车的不舒适。抖振分析业已成为桥梁抗风设计中相当重要的环节。桥梁抖振分析目前主要有三种方法，即基于Sear和Liepmann的机翼抖振理论的Davenport理论，考虑自激力影响的Seanlan颤抖振理论以及建立在随机稳定理论基础上的YKLIN随机抖振理论。2.2.4 驰振驰振是一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动，一般发生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面结构中。根据来流的不同，驰振一般可分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线(或升力矩曲线)的负斜率所引起的发散性自激振动。这种负斜率使得振动过程中的结构位移始终与空气力的方向相一致，从而源源不断地吸收能量，造成类似颤振的不稳定振动。横流驰振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体系桥梁结构中的拉索和吊杆最有可能发生横流驰振。横流驰振研究中最常用的方法是DenHartog提出的单自由度线性驰振理论。根据这一理论，DenHartog提出了结构驰振失稳的判据。此外，Parkinson提出了单自由度非线性驰振理论，Blevins建立了两自由度非线性驰振理论。当后一结构处于前一结构的尾流中时，后一结构由于受到前一结构波动尾流的激发而引起的振动称为尾流驰振。尾流驰振可以发生在包括流线型(圆形)截面在内的任意形式截面的结构中。与横流驰振相比，尾流驰振研究成果较少，一般采用Simpson尾流驰振分析方法。3 大跨度桥梁抗风设计原桥梁抗风设计原则和所要达到的目标如下:1)在桥梁的使用期限内,对于梁和塔可能出现的最大风载荷,桥梁不会发生强度破坏、变形破坏和静力失问稳现象;2)在桥梁的使用期限内,主梁发生自激发散振动的临界风速必须大于桥位处主梁上可能产生的最大风速,以确保桥梁不会产生动力失稳破坏;3)在桥梁的使用期限内,将桥梁可能产生的限幅振动的响应限制在允许的范围之内,并应使其振动尽快停止,以防止结构和构件产生疲劳破坏,确保行车安全4 大跨度桥梁风致振动控 所谓桥梁结构振动控制,就是在设计和施工过程中,通过采取措施以控制结构所受到的振动,将结构在地震、风、车辆、环境振动等条件下的动力响应限制在允许范围内,使之能够保证结构的正常使用功能。对经过理论分析和风洞试验检验仍不能满足抗风要求的设计方案,必须采取抗风措施或修改设计,使其满足抗风设计要求。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。4.1主动控制 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AMD(ActiveMassDamper)。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。4.2被动控制 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(TMD),调谐液体阻尼器(TLD)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。4.3半主动控制半主动控制的概念是J.C.H.Chang和T.F.Soong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。4.4混合控制 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。5 结论我国当前大规模的基本建设正在使中国的土木工程界日益接近国际先进水平，同时也使我国的工程力学界面临前沿课题的挑战。风振问题就是其中一个挑战，因此我们必须要解决风振问题来促进我国土木工程建设的发展。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):5860.4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,1997.6