改善大跨度懸索橋抗風穩定性能的實踐和探索
發布時間：2010-01-14 共2頁
四、改善橋梁斷面氣動性能
改善橋梁斷面的氣動性能的著眼點在于從作用于橋梁上的氣動力中獲取有利于顫振穩定的效能。具體的實現可通過兩條途徑：其一是改善加勁梁的斷面型式，并對加勁梁的氣動外形進行微調；其二是安裝附加的主動或被動控制面以獲得穩定氣動力。
1．氣動外形的改進
現有大跨懸索橋的加勁梁型式主要有歐洲常采用的扁平閉合箱梁型式和在美國、日本應用較多的行梁型式。榆梁型式的優點是加勁梁可以達到比較高的抗扭剛度，且透風性能好，所以其顫振臨界風速較高，如日本的 Akashi Kaikyo懸索橋采用的就是行梁加勁。閉口箱梁型式的優點在于造價的節省和更好的美學效果，目前應用較為廣泛，如丹麥的大海帶橋，不過閉口箱梁型式的顫振穩定性不如行梁型式加勁梁，要提高采用閉口箱梁型式加勁梁的懸索橋的顫振性能。
（2）改善加勁梁截面兩端（來流分離的主要部位）的外形，如添加風嘴等，以改善氣流繞流的流態，減少渦脫，使截面趨向流線型。
（3）加勁梁中心開槽以增加透風車，減小加勁梁頂底面的壓力差。節段模型試驗和兩自由度顫振分析顯示中心開槽的閉口箱梁的顫振臨界風速將得到一定的提高，而且隨著開槽寬度的增加橋梁的顫振臨界風速會繼續上升［10］，當然這樣會增加橋塔和下部結構的造價。
（4）在加勁梁斷面布置導流板、抑流板或擾流板、中央穩定權等以改變繞流流態也可以提高橋梁的顫振穩定性。但這類方法的機理尚未研究透徹，所以這類導流板的具體型式、尺寸和布置部位都需要通過風洞試驗來測試。
（5）避免采用實體欄桿和較高的緣石，增加欄桿的透風率。
采用以上的氣動措施雖然能在一定程度上提高橋梁的顫振臨界風速，但這些抗風措施的效能是比較有限的。即使合理運用了這些措施，當跨度繼續增大后，這兩種傳統斷面懸索橋的顫振臨界風速仍將顯著下降。其原因在于大跨懸索橋彎扭耦合顫振失穩發生時的臨界風速主要取決于橋梁的扭彎頻率比，扭彎頻率比越大顫振臨界風速越高。而橋梁的振動頻率又主要取決于結構的整體剛度和慣性。大跨度懸索橋的剛度絕大部分是由主纜提供的，加勁梁的彎曲振動模態實際上是兩根主纜作同相抖動所引起的，扭轉振動模態則是主纜作異相抖動所致。僅就兩根主纜并受到理想支承而言，主纜作同相或異相抖動的頻率是相同的，在實際懸索橋中由于加入了加勁梁和橋塔的剛度和質量，并且加勁梁和橋塔的抗扭剛度同抗彎剛度有很大差別，從而造成了實際懸索橋彎頻、扭頻的差異。但隨著跨度的增大，主梁、橋塔提供的剛度在結構整體剛度中所占的比例越來越小，結構的整體動力特性越來越向僅有兩根主纜的情況接近，因而扭彎頻率越來越接近，形成惡劣的氣動穩定性。
因此，要實現超大跨度懸索橋就必須提出顫振穩定性更好的加勁梁方案，目前這種革新的加勁梁方案就是分離式閉口箱梁，在分離的箱梁間通過橫梁連接成整體。分離式加勁梁設計實際上正是加勁梁中心開槽思想的拓展，即通過分離箱梁間的開放空間增加透風率，減小加勁梁頂底面的空氣壓力差從而增加氣彈穩定性。同時這一方案保持了傳統閉口箱梁結構的優點，如空氣阻力系數小、渦振性能好等。有關的計算和試驗結果表明這種方案是相當有效的，當然其造價的大幅增加也是在方案比選中需要認真考慮的。此外也有建議采用閉口橢圓形加勁梁方案【2】
2．主動控制面
控制面是在加勁梁斷面的迎風、背風邊緣安裝的薄平板。當加勁梁在氣流作用下發生振動時，利用作用在控制面上的氣動力來達到抑制顫振，提高顫振臨界風速的效果。根據控制原理的不同又可分為主動控制和被動控制兩類。
控制面的主動控制措施[11～13] 是在加勁梁的迎風、背風邊緣安裝上控制面，這些控制面完全與加勁梁分離以避免造成二者之間的氣動干擾，通過合理地反饋控制利用主動輸入的能量調整控制面運動的振幅和相位，以產生對系統振動起穩定作用的氣動力來達到抑制顫振發生的作用。反饋控制的原理可采用線性優化輸出反饋控制理論，具體到顫振控制時常簡化為最小能量控制理論[14].
在應用控制面進行主動控制時要注意：
（1）背風面的控制面所消耗的能量要多于迎風面，這是因為在振動過程中斷面的扭轉中心將向迎風面移動。
（2）在確定了需安裝控制面的總長度后，無論是采用一整塊控制面還是采用相同總長的多塊控制面，其控制效果相差不大。安裝一整塊控制面所需的能耗低些，而采用多塊控制面的好處在于當其中一塊或幾塊停止工作時其對顫振的控制作用不會下降大多，這在實際應用中也是非常必要的。
控制面主動控制的優點是幾乎可對任意風速都能進行反饋控制抑制顫振發生。主動控制的缺點是需要致動器、傳感器、控制設備（執行、實現控制流）和外部能量輸入等較復雜的控制系統。此外采用主動控制措施需要兩到三個并行的工作控制系統以保證其可靠性，因為控制系統的失靈很可能導致橋梁結構的毀壞。
3．被動控制面
采用控制面進行被動控制［7］[15~17]的方法雖然不像主動方法那樣可對任意風速都能解決顫振問題，但顯然更為簡便、可靠，易于為橋梁工程師所接受。
控制面被動控制的一種方法是將控制面同加勁梁直接相連（鉸接），使加勁梁周圍的統流模式發生改變，這樣不僅可從作用在控制面上的氣動力還可以從加勁梁本身氣動力的改變中獲得有利于氣動穩定的作用。餃接在加勁梁斷面邊緣的控制面通過附加索連接到架設于二主纜間的支撐梁上，同時又由預應力扭轉彈簧同加勁梁相連，這樣當加勁梁發生扭轉時控制面就可在附加索和預應力彈簧的共同作用下發生被動轉動以達到提高系統氣動穩定性的作用。節段模型分析表明最適宜的控制面寬度約為1.0m，橋梁臨界風速最大可提高 30％，然而這一系統對控制橋梁靜力扭轉發散沒有作用。
被動控制的另一種方法是在加勁梁重心處懸掛擺，布置在加勁梁迎風背風邊緣的控制面都通過連接索連接到擺上（連接素同擺的連接點的變化將直接影響控制面相對加勁梁扭轉運動的增益系數）。當加勁梁發生扭轉振動時，重心擺將發生相對加勁梁的擺動，從而帶動控制面運動，以獲得適當的穩定氣動力達到抑制顫振的目的。在對這種控制方法的分析中考慮了兩種模式：其一是加勁梁扭轉振動將引起迎風、背風緣的控制面作異相轉動，即迎風面控制面作順時針轉動時背風面控制面作逆時針轉動；其二是加勁梁扭轉振動引起的迎風、背風緣控制面作同相轉動。三維顫振分析結果表明模式一有效地穩定了第一階扭轉振型，但不提高靜力發散風速；模式二則在防止了系統靜力發散的同時將顫振臨界風速提高了20％。分析還顯示控制面的最有效布置位置在主跨的跨中點，長度約為30％的跨長。試驗結果同分析結果達到了較好的一致性。對模式一所做的兩維模型分析表明在應用重心擺進行控制面被控制時重心擺的主要參數可以有兩種選擇：一是所用擺質量大、周期長、阻尼大，這樣加勁梁的運動將不引起擺的運動，控制面的運動將同加勁梁的扭轉振動成正比，臨界風速可提高43％；二是所用擺質量小，周期短，并采用較低的系統增益，這樣擺的運動將大幅參與到系統的顫振模態中，臨界風速最大可提高57％。節段模型試驗結果顯示當系統增益在 0～0.5之間時，分析結果同試驗結果吻合較好，當增益大于1時，兩者偏差較大，這說明分析中獨立計算加勁梁和控制面上的空氣力而未考慮耦合效果的簡化僅適用于小幅振動的情況。
五、結語
本文在對國內外現有提高大跨度懸索橋顫振穩定性的方法進行評述的基礎上，將懸索橋顫振控制方法歸納為三大類，即提高系統整體剛度、控制結構振動特性和改善斷面氣動性能。其中，提高系統整體剛度主要通過設置水平輔助索和橫向輔助索來增強主纜的剛度，從而達到提高系統剛度的目的；控制結構振動特性方法最直接的措施就是采用調質阻尼器或調液阻尼器等增加結構機械阻尼，此外通過回轉儀或偏心質量等措施于抗原有結構振動形態也能達到控制結構振動特性的目的；改善橋梁斷面氣動性能的傳統方法就是改變或調整橋梁斷面的氣動外形，使得氣體統流流態中的分離和渦脫現象消失或減小，而根據機翼控制原理提出的主動和被動控制面方法則是最近幾年才提出的一種新的設想。由于上述各種顫振控制方法的理論分析難度很高，特別是理論分析中非定常氣動力的模型很難確定，因此各種顫振控制措施的有效性和經濟性必須借助風洞試驗尤其是全橋氣彈模型風洞試驗加以驗證。
