改善大跨度懸索橋抗風穩(wěn)定性能的實踐和探索
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
摘要：改善抗風穩(wěn)定性能是大跨度懸索橋設(shè)計和建造中的一個重要課題。本文從提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動特性和改善斷面氣動性能等三個方面介紹了國內(nèi)外在改善大跨度懸索橋抗風穩(wěn)定性能中的實踐和探索，并歸納出了一些理論分析和試驗研究的結(jié)論，這些結(jié)果將有助于我國2000m以上大跨度懸索橋抗風穩(wěn)定性的設(shè)計和研究。
關(guān)鍵詞：懸索橋 抗風穩(wěn)定性 顫振 系統(tǒng)剛度 結(jié)構(gòu)阻尼 氣動性能
一、引言
隨著橋梁設(shè)計和施工水平的不斷提高，現(xiàn)代懸索橋的跨度記錄不斷被刷新，保持了近20 年世界記錄的英國 Humber懸索橋（1410m），在最近兩年接連被丹麥 Great Belt懸索橋（1624）和日本Akashi KaikyO懸索橋（1991）所超越，而新一輪設(shè)計和建造更大跨度懸索橋的熱浪正在世界各地醞釀之中。其中，日本建設(shè)省土木工程研究所正在進行 2800m跨度的懸索橋全橋氣彈模型風洞試驗和抗風設(shè)計研究【1】，意大利Messina海峽一跨過海的可行性方案采用了3300m跨度的懸索橋，而跨越 Gibraltar海峽的規(guī)劃中更是出現(xiàn)了3550m的懸索橋［2］。我國自1999年建成了1385m的江陰長江大橋后，超越 2000m跨度的懸索橋方案也已經(jīng)出現(xiàn)在規(guī)劃中的同（江）三（亞）線等大型跨海工程中。
懸索橋跨度大幅度增長帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的急劇下降，這使得風致振動對橋梁安全性的影響更加重要，而影響風振性能最關(guān)鍵的因素就是抗風穩(wěn)定性，即橋梁顫振穩(wěn)定性。橋梁顫振是一種發(fā)散性的自激振動，是在結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力、彈性力和自激氣動力共同作用下所發(fā)生的一種空氣動力失穩(wěn)現(xiàn)象。其中，結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力和彈性力反映了結(jié)構(gòu)的動力特性，而自激氣動力主要與結(jié)構(gòu)斷面的氣動外形有關(guān)。因此，改善大跨度懸索橋抗風穩(wěn)定性能的探索主要從以下三個方面著手，即提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動特性和改善斷面氣動性能。
二、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)整體剛度的著眼點應(yīng)放在主纜上。通過調(diào)整主纜同加勁梁的相對位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達到提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度和扭轉(zhuǎn)振動頻率的目的[3]，而顫振臨界風速同橋梁扭轉(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[4]，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過于復(fù)雜目前很難付諸實施。
1．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)振動頻率。因為加勁梁扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動時兩根主纜作異相抖動，表現(xiàn)為沿著橋梁軸線的反對稱運動，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對稱抖動，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。
2．橫向輔助索
橫橋向布置的輔助會對也可增強懸索橋的扭轉(zhuǎn)剛度。
這些輔助索的共同效果在于將加勁梁的扭轉(zhuǎn)振動同側(cè)向水平振動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。當主梁扭轉(zhuǎn)時由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉(zhuǎn)運動總是伴隨著主纜的運動和加勁梁的側(cè)向水平運動，對相同荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動而言振幅得到了一定的控制，扭轉(zhuǎn)剛度也得到了提升。
在實際應(yīng)用中a方案較為經(jīng)濟，但由于主纜居中，考慮到保證交通凈空的必要無法在跨中將主纜同橋面作剛性連接（即中央扣），而這是大跨度懸索橋提高扭轉(zhuǎn)和側(cè)向剛度的一個非常有效的結(jié)構(gòu)措施。
b 方案是在普通雙主纜懸索橋的橫斷面上增加了橫向交叉索，從而使扭轉(zhuǎn)振動同側(cè)向振動耦合而提高扭轉(zhuǎn)剛度。這種方案不僅能提高顫振穩(wěn)定性，而且施工方法也很簡便；主纜和橋面可按照普通懸索橋的方法步驟來施工，而橫向交叉索可以根據(jù)實際要求既可在施工過程中充當施工臨時索，也可一并在橋面安裝完成后布設(shè)。此外，這一方案還留有進一步改進的余地，如將橫向交叉索擴展到全跨或?qū)⒍骼|連接起來以進一步提高抗扭剛度和顫振穩(wěn)定性。
方案c 和d的結(jié)構(gòu)剛度提高較大，顫振穩(wěn)定性較之方案a和b更好，但由于主纜位于不與橋面正交的傾斜面內(nèi)，給施工帶來了較大的困難。方案d還有纜索用量較大（估計比通常懸索橋增加 120％[2]）的缺陷，而且橋面下的兩根主纜也有可能影響橋下的通航凈空。所以這兩種方案需經(jīng)慎重比選后再采用。
從提高顫振臨界風速的效率以及造價、施工等各方面綜合比較而言，方案b是較為可行有效的選擇。
橫向交叉索的布置位[5] 是另一個需要認真對待的問題，通常的布設(shè)位置在主跨的四分點處。相關(guān)的理論計算得出的結(jié)論是交叉索的最佳位置是在主跨的0.3L處或邊跨的跨中，此外同時在中跨和邊跨布橫向索的效果不如單獨在一跨布索。當然這一結(jié)構(gòu)的正確性還有待進一步驗證，因為在計算中采用風洞試驗實測氣動力和采用 Theordorson函數(shù)表達的氣動力進行計算其結(jié)果剛好相反。
最后，需要指出的是不管是采用水平索還是橫向索，應(yīng)用纜索系統(tǒng)來提高結(jié)構(gòu)剛度從而提高橋梁顫振穩(wěn)定性只適用于大跨度懸索橋。因為只有在跨度足夠大的情況下，主纜的剛度才能在結(jié)構(gòu)總體剛度中占據(jù)足夠大的份額而足以約束橋面的扭轉(zhuǎn)運動。對于較小跨徑的懸索橋，提高加勁梁的剛度仍是十分必要的。
三、控制結(jié)構(gòu)振動特性
采用控制結(jié)構(gòu)振動特性的方法來改善大跨度懸索橋的抗風穩(wěn)定性能主要從增加結(jié)構(gòu)阻尼和干擾振動形態(tài)等方面入手。
1．增加結(jié)構(gòu)阻尼
為了間接地提高結(jié)構(gòu)的阻尼，調(diào)質(zhì)阻尼器、調(diào)液阻尼器及調(diào)液注式阻尼器在土木結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。這些阻厄器的制振減振原理是將主結(jié)構(gòu)的振動能量傳遞到頻率相近的阻尼器上，然后加以耗散，從而達到減小結(jié)構(gòu)振幅的目的。應(yīng)用被動調(diào)質(zhì)阻尼器除了可以有效改善大跨橋梁的抖振和渦振性能外，還能提高橋梁的顫振穩(wěn)定性[6].調(diào)質(zhì)阻尼器的優(yōu)點在于它的低造價和簡便性。被動調(diào)質(zhì)阻厄器的理論分析和節(jié)段模型試驗結(jié)果表明[6]．
（1）調(diào)質(zhì)阻尼器的性能主要取決于轉(zhuǎn)動慣量的大小，調(diào)質(zhì)阻尼器與受控系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)動慣量比越大，控制效果越好。當轉(zhuǎn)動慣量比高于5.6％時，調(diào)質(zhì)阻尼器能提高顫振臨界風速40％左右。因此，調(diào)質(zhì)阻尼器能顯著地提高顫振臨界風速；
（2）調(diào)質(zhì)阻尼器的控制效果還與受控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)構(gòu)阻尼有關(guān)，原結(jié)構(gòu)阻尼越小，控制效果越好，這是因為調(diào)質(zhì)阻尼器所提供的阻尼值在整個系統(tǒng)阻尼值中所占的比重較大。因此，調(diào)質(zhì)阻尼器最適合于鋼加勁梁的大跨度懸索橋；
（3）調(diào)質(zhì)阻尼器的控制效率在阻尼器質(zhì)量和阻尼一定的條件下，對阻尼器與受控系統(tǒng)之間的頻率比非常敏感，只有在最優(yōu)頻率比附近控制效率才達到最優(yōu)，而阻尼器與受控橋梁之間的最優(yōu)頻率比是由橋梁的斷面形狀決定的；
（4）調(diào)質(zhì)阻厄器的安裝位置應(yīng)盡可能地放在橋梁受控振型值的最大區(qū)域；
（5）此外，一般認為調(diào)質(zhì)阻尼器的鈍體截面上的控制效果比在流線型截面上的更好。
2．干擾振動形態(tài)
在顫振控制領(lǐng)域的研究中還有一些方法，其原理是通過干擾原有結(jié)構(gòu)振動形態(tài)來達到改善橋梁結(jié)構(gòu)動力特性的目的。其中，回轉(zhuǎn)儀法是在加勁梁上安裝回轉(zhuǎn)儀，讓回轉(zhuǎn)儀的運動同加勁梁的扭轉(zhuǎn)運動相耦會從而通過回轉(zhuǎn)矩來抑制顫振的發(fā)生；而偏心質(zhì)量法是在橋梁橫斷面上布置移動的偏心質(zhì)量
[7]，通過對其主動控制可提高顫振臨界風速80％，但因所需質(zhì)量的大小和致動器的沖程過大，所以現(xiàn)在還無法應(yīng)用到大跨橋梁的顫振控制中；還有一種控制斷面扭轉(zhuǎn)中心移動以降低氣動力矩的方去別是在加勁梁斷面兩側(cè)安置一個充滿水的管道，當接近顫振臨界狀態(tài)時排空背風側(cè)管道中的水，這樣斷面扭轉(zhuǎn)中心就向迎風側(cè)移動使氣動力臂減小而降低了氣動力矩，提高了穩(wěn)定性，這一方法曾經(jīng)運用在Humber橋的顫振控制中。
