淺析風(fēng)對(duì)懸索橋梁結(jié)構(gòu)的影響之我見
2018-03-26
一、大跨徑懸索橋在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中所存在的問題
1、橋梁斷面的氣動(dòng)參數(shù)
橋梁斷面的氣動(dòng)力(力矩)系數(shù),氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)納是橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)。氣動(dòng)力(力矩)主要用于橋梁的穩(wěn)定性分析,通過節(jié)段模型可以準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。
氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)主要用于橋梁的顫振分析,通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)量,氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)量精度對(duì)確定橋梁顫振臨界風(fēng)速有重要的影響,特別是當(dāng)橋梁顫振是多振型、多變量耦合的形態(tài)時(shí)更是如此。在風(fēng)洞試驗(yàn)中用節(jié)段末年高興測(cè)量氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)時(shí),要求在耦合振動(dòng)試驗(yàn)中,模型以純單一模態(tài)運(yùn)動(dòng),但實(shí)際上很難做到,因此,如何從風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法這兩方面來提高氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)量精度是目前研究工作的重點(diǎn),如何從風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法這兩個(gè)方面來提高氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的測(cè)量精度是目前研究工作的重點(diǎn)。另外,通過不同橋梁斷面形狀在不同風(fēng)速和不同湍流度下的系列試驗(yàn)建立一個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的計(jì)算公式,亦是一個(gè)研究?jī)?nèi)容。
氣動(dòng)導(dǎo)納主要用于考慮抖振動(dòng)的非定常效應(yīng),在研究大跨度橋梁抖振響應(yīng)時(shí)有很重要的作用。目前,對(duì)流線性的橋梁斷面可采用平板或翼型氣動(dòng)導(dǎo)納的Sears函數(shù)來考慮抖振力的非定常效應(yīng),但是,對(duì)于復(fù)雜的橋梁斷面形狀,這種方法會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納的研究亦應(yīng)十分關(guān)注。氣動(dòng)導(dǎo)納的研究工作還有待進(jìn)一步深入,特別是在湍流場(chǎng)中如何準(zhǔn)確建立鈍體的非線性、非定常氣動(dòng)力學(xué)模型。
2、橋梁的拉索振動(dòng)
橋梁的拉索振動(dòng)的形式有渦激振動(dòng)、尾流振動(dòng)、參數(shù)共振和斜索雨振等,其中研究的重點(diǎn)應(yīng)該是斜索雨振。
下雨時(shí),大跨度斜拉橋的斜索在一定的風(fēng)速和風(fēng)向范圍內(nèi)會(huì)引成一條穩(wěn)定的上水路,發(fā)生大幅度的振動(dòng),稱為雨振。這種振動(dòng)會(huì)引起相鄰斜索的碰撞,使其保護(hù)皮破損;還會(huì)使斜索末端禁固件產(chǎn)生疲勞損傷,導(dǎo)致減震器損壞,危及橋梁的安全。我國上海南浦大橋、楊浦大橋和武漢長江二橋建成后相繼觀察到斜索雨振現(xiàn)象。國內(nèi)為對(duì)斜索雨振的機(jī)理進(jìn)行了很多研究,除了用馳振理論解釋外,還有用二次流理論和能量輸入理論來解釋雨振現(xiàn)象。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對(duì)斜索雨振現(xiàn)象進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),通過測(cè)量雨振斜索上的脈動(dòng)壓力分布來研究影響雨振的因素,并將雨振脈動(dòng)壓力積分得到的非定常氣動(dòng)力模型引入斜索雨振時(shí)的振幅計(jì)算。有關(guān)斜索雨振的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。
風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不僅是靜力問題,對(duì)于大跨度柔度橋梁,各類風(fēng)致振動(dòng)更是抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要內(nèi)容。在大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),除理論分析之外,更主要是通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)予以確定和評(píng)價(jià)。最后指出了有關(guān)風(fēng)對(duì)橋梁作用的研究中,需要進(jìn)一步研究橋梁斷面的氣動(dòng)參數(shù)和橋梁拉索振動(dòng)這兩個(gè)問題。
二、風(fēng)動(dòng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響 大跨度橋梁,尤其是對(duì)風(fēng)較為敏感的大跨度懸索橋和斜拉橋,除需要考慮靜風(fēng)荷載的作用之外,更主要考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。其中對(duì)橋梁的動(dòng)穩(wěn)定性研究尤為重要。顫振和抖振是橋梁最主要的兩種動(dòng)穩(wěn)定性問題。
1、顫振
顫振是橋梁結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的耦合作用下產(chǎn)生的一種發(fā)散振動(dòng),是在一定的臨界風(fēng)速下結(jié)構(gòu)振動(dòng)振幅急劇增加而會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀壞的一種發(fā)散振動(dòng)。發(fā)散振動(dòng)是一種空氣動(dòng)力失衡現(xiàn)象,它主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))影響了氣流經(jīng)過橋梁時(shí)的繞流狀態(tài),因而影響了氣動(dòng)力,從而產(chǎn)生一種所謂自激力,結(jié)構(gòu)在自激力作用下振幅越來越大最后導(dǎo)致動(dòng)力失穩(wěn)。由于這種振動(dòng)一經(jīng)發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞,因而在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中,要求發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速大于主梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速并留有一定的安全余量。
同時(shí)，橋梁發(fā)生何種顫振與主梁截面的氣動(dòng)外形有這密切關(guān)系,通常來講,主梁截面的流線性越好,氣動(dòng)穩(wěn)定性越好。因此,在大跨度橋梁的初步設(shè)計(jì)階段,有必要對(duì)主梁截面進(jìn)行比選或通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)基本截面進(jìn)行優(yōu)化,以保證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性。
2、 抖振
抖振又稱為陣風(fēng)相應(yīng),它主要由大氣中的紊流成份(即脈動(dòng)風(fēng))所激起,是一種隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。雖然是一種限幅振動(dòng),但由于發(fā)生抖振的風(fēng)速低,頻率大,會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部疲勞,影響行人和車輛行駛的安全性,因此橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)也要進(jìn)行抖振相應(yīng)分析。近年來,隨著對(duì)抖振機(jī)理的深入認(rèn)識(shí),提出了一種新的抖振響應(yīng)分析方法,在頻域抖振相應(yīng)分析中考慮了任意運(yùn)動(dòng)的自激力,以及在大變形下橋梁結(jié)構(gòu)非線性的是與抖振響應(yīng)分析方法,提高抖振響應(yīng)分析的可信度。同濟(jì)大學(xué)對(duì)橋梁抖振相應(yīng)分析方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,給出了實(shí)用的計(jì)算公式。
對(duì)抖振的研究表明:隨著橋梁跨度的增大,結(jié)構(gòu)的柔性增加,抖振也會(huì)相應(yīng)增大;且隨著風(fēng)速的增大,抖振相應(yīng)(振幅及結(jié)構(gòu)內(nèi)力)會(huì)成倍增大。因此,對(duì)于設(shè)計(jì)風(fēng)速較高或跨度較大的各式橋梁,尤其對(duì)大跨度斜拉橋和懸索橋,抗風(fēng)設(shè)計(jì)中必須對(duì)抖振相應(yīng)進(jìn)行檢算。
三、大跨橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)策大橋工程的挑戰(zhàn)性主要表現(xiàn)在團(tuán)跨度的超大化所帶來的結(jié)構(gòu)非線性航風(fēng)穩(wěn)定性、施工控制、拉索振動(dòng)控制，超高橋塔的抗震，以及50m以上的超深水基礎(chǔ)和軟土錨碇等難題。
1、提高系統(tǒng)整體剛度。大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度主要來自于主纜，因此提高結(jié)構(gòu)整體剛度的著眼點(diǎn)應(yīng)放在主纜上。通過調(diào)整主纜同加勁梁的相對(duì)位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的目的，而顫振臨界風(fēng)速同橋梁扭轉(zhuǎn)頻率和扭彎頻率比直接相關(guān)，所以這類方法對(duì)提高大跨和超大跨懸索橋的顫振穩(wěn)定性也是行之有效的。此外，有的學(xué)者還提出應(yīng)用空間索系來提高懸索橋的側(cè)向和扭轉(zhuǎn)剛度，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過于復(fù)雜目前很難付諸實(shí)施。2、水平輔助索。利用水平輔助索可以提高懸索橋的抗扭剛度從而提高扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率。因?yàn)榧觿帕号まD(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)時(shí)兩根主纜作異相抖動(dòng)，表現(xiàn)為沿著橋梁軸線的反對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對(duì)稱抖動(dòng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。其效果類似于橋塔抗扭剛度的增強(qiáng)。3、橫向輔助索。這些輔助索的共同效果在于將加勁梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)同側(cè)向水平振動(dòng)在一定程度上耦合起來（扭轉(zhuǎn)中心上升），從而提高結(jié)構(gòu)總體抗扭剛度。當(dāng)主梁扭轉(zhuǎn)時(shí)由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總是伴隨著主纜的運(yùn)動(dòng)和加勁梁的側(cè)向水平運(yùn)動(dòng)，對(duì)相同荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而言振幅得到了一定的控制，扭轉(zhuǎn)剛度也得到了提升。
參考文獻(xiàn)：
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