懸索橋抗風(fēng)綜述

1、懸索橋橋抗風(fēng)綜述課程名稱：橋梁抗震抗風(fēng)指導(dǎo)老師：周詩云專業(yè)：土木工程姓名：羅瀟學(xué)號(hào)：20134190060學(xué)生年級(jí)：2013級(jí)日期：2016年12月5日目錄懸索橋抗風(fēng)綜述21.塔科瑪橋的倒塌2. 歐洲抗風(fēng)方式的改進(jìn)23. 20世紀(jì)末的懸索橋34. 采用拉索系統(tǒng)的新橋型35. 空氣動(dòng)力學(xué)措施46. 機(jī)械措施47. 超長(zhǎng)大跨懸索橋的可能6參考文獻(xiàn)6懸索橋抗風(fēng)綜述摘要:本文以大跨徑懸索橋的抗風(fēng)為研究對(duì)象,總結(jié)闡述了抗風(fēng)研究的歷史過程,著重分析了橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的方法：采用拉索系統(tǒng)提高扁平箱梁形式懸索橋顫振臨界風(fēng)速；通過改善橋梁斷面的外形來減小氣動(dòng)力的空氣動(dòng)力學(xué)措施；在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結(jié)構(gòu)的

2、阻尼，并減小作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力，從而達(dá)到提高懸索橋氣動(dòng)穩(wěn)定性的目的的機(jī)械措施。文中還對(duì)超長(zhǎng)跨徑懸索橋建設(shè)的可行性進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：橋梁抗風(fēng)，拉索系統(tǒng)，空氣動(dòng)力學(xué)，機(jī)械措施，阻尼器1. 塔科瑪橋的倒塌1940年華盛頓州塔科瑪市的海面上刮起了風(fēng)速19m/s的強(qiáng)風(fēng)，剛竣工的全新的塔科瑪懸索橋在風(fēng)的吹動(dòng)下，誘發(fā)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)導(dǎo)致了可怕的跨橋事故。設(shè)計(jì)塔科瑪橋時(shí)充分考慮了風(fēng)的靜力作用，還委托華盛頓大學(xué)做了模型試驗(yàn),并無任何疏忽與漏洞。事故的原因并不是風(fēng)的靜力作用，而是隨時(shí)間變化的風(fēng)產(chǎn)生的作用力所致。塔科瑪橋的悲劇發(fā)生之后，美國(guó)采用的確保懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的方法主要是兩種。一種是采用桁架加勁梁和開敞式的橋面

3、使渦旋分散的方法，另一種是由自重增加剛度的方法。北美抗風(fēng)對(duì)策的實(shí)質(zhì)是桁架和重量。2. 歐洲抗風(fēng)方式的改進(jìn)歐洲的技術(shù)人員開始注意到了一種新的途徑，例如采用扁平的翼型斷面(AirfoilorAerofoilSection)以減小風(fēng)的作用力或者抑制渦旋的產(chǎn)生。加勁梁由桁架向翼型斷面箱梁的轉(zhuǎn)變使懸索橋變得更加輕，更加經(jīng)濟(jì)了。箱梁的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是和桁架相比，風(fēng)的抗力僅為1/3，由于塔頂主纜傳來的水平反力是由橋面系70%的風(fēng)力而產(chǎn)生的，風(fēng)的抗力減少至1/3,無疑對(duì)塔的設(shè)計(jì)帶來很大的影響”。采用這種方式的賽文橋由于忽視了懸索橋的重量而造的太輕了，在風(fēng)作用和車輛行駛作用下，成為極敏感的結(jié)構(gòu)。風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，雖然

4、沒有出現(xiàn)塔科瑪橋那樣的破壞振動(dòng)，但卻總是常常出現(xiàn)發(fā)出嘎啦嘎啦響聲的振動(dòng)。3. 20世紀(jì)末的懸索橋20世紀(jì)才真正是長(zhǎng)大懸索橋的發(fā)展時(shí)期，日本架設(shè)了跨度近2000m的世界第一的明石海峽大橋。橋梁是使行人、車輛安全通過的結(jié)構(gòu)物，因此設(shè)計(jì)時(shí)，不僅對(duì)人群和車輛荷載，而且也應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)、地震等自然界的外力作用。一般而言，橋梁結(jié)構(gòu)隨著跨度的增加，地震的影響卻變小，對(duì)風(fēng)的考慮卻變得極為重要。其原因是無論怎樣的地震，其能量的峰值大約在比12s還短的周期處，難以激起固有周期最大可達(dá)30s左右的超長(zhǎng)大懸索橋的共振現(xiàn)象。下表是遭受重大風(fēng)災(zāi)的懸索橋一覽表，懸索橋的風(fēng)災(zāi)與跨度無關(guān)，其原因是不同的風(fēng)速作用下，懸索橋可能產(chǎn)生不同

5、的不穩(wěn)定現(xiàn)象。遭受風(fēng)災(zāi)的懸索橋一覽表序號(hào)橋名所在國(guó)家跨度跨橋時(shí)間1干鎮(zhèn)修道院橋英國(guó)7918182聯(lián)合橋英國(guó)13718213納索橋德國(guó)7518344布萊頓橋英國(guó)7818365蒙特羅斯橋英國(guó)13218386梅奈海峽橋英國(guó)17718397羅奇伯納德橋法國(guó)19518528威靈橋美國(guó)30918549尼亞加拉利文斯頓橋美國(guó)317186410尼亞加拉克利夫頓橋美國(guó)384188911塔科瑪橋美國(guó)85319404. 采用拉索系統(tǒng)的新橋型采用拉索系統(tǒng)提高流線型的扁平箱梁形式懸索橋顫振臨界風(fēng)速的研究已在活躍的進(jìn)行。（1）豎斷面交叉索方式豎斷面交叉索方式是用細(xì)的拉索將懸索橋的加勁梁和主纜橫向連接，從而提高耦合顫振的臨

6、界風(fēng)速。這種方式，常常也稱為橫吊桿方式，但是吊桿是有恒荷載的初期應(yīng)力的，初期恒載應(yīng)力的成為橫吊桿方式，無初期恒載應(yīng)力的則稱為橫拉索方式。（2）主纜上交叉索方式懸索橋以對(duì)稱振型扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，主塔的兩根塔柱則相對(duì)于橋軸方向反相位振動(dòng)，將主纜用拉索橫向連接的主纜上交叉索的方式。懸索橋以反對(duì)稱振型扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，主塔在橋軸方向幾乎不移動(dòng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，常將前述的豎斷面交叉索方式和本方式合并使用。（3）單纜方式懸索橋的加勁梁傳統(tǒng)的做法是通過吊桿懸掛在兩根主纜上的，而如果主纜只有一根，吊桿和加勁梁成三角形的算索橋稱為單纜方式。和傳統(tǒng)的兩根主纜方式相比，加勁梁會(huì)有大的扭轉(zhuǎn)變形，因此，在風(fēng)作用下，有在更低的風(fēng)速區(qū)發(fā)

7、生扭轉(zhuǎn)顫振的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意。(4) 雙纜單鞍座方式兩根主纜在主塔附近集束成一根的方式稱為雙纜單鞍座方式。(5) 分裂型懸索橋方案這種方案主要是為了提高懸索橋的橫向穩(wěn)定性，2個(gè)分離的橋面分別懸吊在2個(gè)分離的橋塔和纜索系統(tǒng)，并用橫向連接系連接2個(gè)分離的橋面。這種體系具有更大的扭轉(zhuǎn)剛度。同時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)表明這種懸索橋方案也具有良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性。(6) 剛性吊桿傳統(tǒng)懸索橋設(shè)計(jì)中，基本都采用高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線組成的柔性吊桿。采用剛性吊桿主要是為了減少2根平行主纜之間的豎向相對(duì)位移，約束橋面的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),從而提高懸索橋的扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)剛性吊桿布置在中跨的1/3處附近時(shí)，能夠有效地提咼懸索橋的扭轉(zhuǎn)頻率，顫振臨

8、界風(fēng)速也可以提咼到原來的60%左右。5. 空氣動(dòng)力學(xué)措施氣流繞過橋梁截面時(shí)，發(fā)生相互作用而產(chǎn)生空氣作用力，而截面氣動(dòng)外形的改變勢(shì)必會(huì)影響到空氣力。因此，改善氣動(dòng)穩(wěn)定性的另一途徑是通過改善橋梁斷面的外形來減小氣動(dòng)力。(1) 邊緣風(fēng)嘴措施在加勁梁截面兩端設(shè)置風(fēng)嘴，可以改善氣流繞流的流態(tài)，減少渦脫，使截面趨向流線型。顫振分析和試驗(yàn)研究表明，這種措施能有效地提高懸索橋的顫振穩(wěn)定性，而且風(fēng)嘴的尖端角度越小，對(duì)顫振穩(wěn)定性的改善越大；而在尖端角度相同的情況下，尖端長(zhǎng)度較大的風(fēng)嘴的氣動(dòng)性能就越好。(2) 中央開槽措施傳統(tǒng)的流線型箱形斷面中間開槽，可以增加透風(fēng)率，減小加勁梁頂?shù)酌娴膲毫Σ?。試?yàn)和分析都顯示中央開

9、槽的閉口箱梁的顫振臨界風(fēng)速將得到一定程度的提高，而且隨著開槽寬度的增加橋梁的顫振臨界風(fēng)速會(huì)繼續(xù)上升。在Messina海峽橋方案的研究中，理論分析和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都表明，采用開槽箱形主梁斷面，可得到令人滿意的抗風(fēng)性能。(3) 分離箱梁方案分離式箱梁設(shè)計(jì)，實(shí)際上是箱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(fēng)率，減小加勁梁頂?shù)酌娴目諝鈮毫Σ顝亩黾託鈩?dòng)穩(wěn)定性。同時(shí)這一方案保持了傳統(tǒng)閉口箱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如空氣阻力系數(shù)小、渦振性能好6. 機(jī)械措施機(jī)械措施主要是在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結(jié)構(gòu)的阻尼，并減小作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力，從而達(dá)到提高懸索橋氣動(dòng)穩(wěn)定性的目的。這種裝置主要有2類，一類

10、是阻尼器，另一類是在加勁梁斷面的迎風(fēng)、背風(fēng)邊緣安裝的控制面。當(dāng)加勁梁在氣流作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，利用作用在控制面上的氣動(dòng)力來增大結(jié)構(gòu)振動(dòng)的阻尼，從而提高顫振臨界風(fēng)速。根據(jù)控制原理的不同又可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。（1）阻尼器為了間接地提高結(jié)構(gòu)的阻尼，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）（下圖）在土木結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。TMD是由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成的一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械裝置，是一種不需要能量供給的減振裝置，其制振減振原理是將主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量傳遞到頻率相近的阻尼器上，然后加以耗散，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振幅的目的。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。（2）主動(dòng)控制措施控制

11、面的主動(dòng)控制措施是在加勁梁的迎風(fēng)、背風(fēng)邊緣安裝上控制面，如圖a所示。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(dòng)干擾。通過合理地反饋控制，利用主動(dòng)輸入的能量調(diào)整控制面運(yùn)動(dòng)的振幅和相位，以產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)起穩(wěn)定作用的氣動(dòng)力，來達(dá)到抑制顫振發(fā)生的作用。為了保證超大跨徑懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性，已有研究中提出了如圖b所示的各種控制方法，主要有在主梁上安裝可動(dòng)翼板、在橋梁的迎風(fēng)側(cè)安裝豎直可動(dòng)板以及在主梁的迎風(fēng)和背風(fēng)面安裝可動(dòng)板或可動(dòng)風(fēng)嘴等。a. 主動(dòng)控制原理示意b. 主動(dòng)控制方法控制面主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是幾乎可對(duì)任意風(fēng)速都能進(jìn)行反饋控制抑制顫振發(fā)生，其缺點(diǎn)是需要致動(dòng)器、傳感器、控制設(shè)備（執(zhí)行、實(shí)現(xiàn)控制流）

12、和外部能量輸入等較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。（3）被動(dòng)控制措施被動(dòng)控制措施都采用固定在橋梁迎風(fēng)或者背風(fēng)面的翼板形式，如下圖所示，以此來增加扭轉(zhuǎn)或垂直振動(dòng)阻尼，同樣也可增加耦合振動(dòng)阻尼。被動(dòng)控制方法分析表明，在主梁上方和背風(fēng)側(cè)布置翼板，可以明顯提高懸索橋的顫振臨界風(fēng)速。但在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)都布置翼板的方案，對(duì)提高懸索橋的氣動(dòng)穩(wěn)定性效果卻不大。為了解決墨西拿海峽橋的顫振問題，設(shè)計(jì)組提出了在分離梁基礎(chǔ)上，再在主梁上方安裝翼板（其與主梁上的外側(cè)風(fēng)屏連接在一起），由于翼板可對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與彎曲振動(dòng)提供非常大的氣動(dòng)阻尼，故該橋的顫振穩(wěn)定性還有大幅度的提高,臨界風(fēng)速將超過100m/s。因此，在墨西拿海峽橋的最終設(shè)計(jì)中，兩種

13、氣動(dòng)措施均被采用。采用控制面進(jìn)行被動(dòng)控制的方法，雖然不像主動(dòng)方法那樣可對(duì)任意風(fēng)速都能解決顫振問題，但這種方法顯然更為簡(jiǎn)便、可靠，易于為橋梁工程師所接受。7. 超長(zhǎng)大跨懸索橋的可能在20世紀(jì)橋梁工程取得巨大成就的基礎(chǔ)上，21世紀(jì)的世界橋梁工程將進(jìn)入建設(shè)跨海聯(lián)島工程的新時(shí)期。日本本州一四國(guó)聯(lián)絡(luò)線工程和丹麥大小海帶橋的建成是20世紀(jì)的里程碑。在21世紀(jì)上半葉，已經(jīng)規(guī)劃多年的洲際跨海工程，如歐非直布羅陀海峽通道，歐亞博斯普魯斯海峽第三通道以及歐美白令海峽工程將有可能付諸實(shí)現(xiàn)。在歐洲、英倫三島、挪威沿海諸島、德國(guó)和丹麥之問的費(fèi)曼海峽以及意大利的墨西拿海峽也都將實(shí)施跨海工程建設(shè)。在亞洲，東北亞的日本和朝鮮

14、有可能通過朝鮮海峽的跨海工程建設(shè)陸路通道。中國(guó)的崛起令世界矚目。已開始跨海工程的前期工作如上海的崇明越江通道和杭州灣通道，珠江E1的伶仃洋通道都在進(jìn)行工程可行性的研究，舟山聯(lián)島工程也已開始實(shí)施?？深A(yù)計(jì)21世紀(jì)的中國(guó)將在橋梁建設(shè)中做出輝煌的成就，屹立于世界橋梁強(qiáng)國(guó)之列。眾多的跨海工程，需要面對(duì)更加嚴(yán)酷的自然環(huán)境，不僅僅是技術(shù)的問題，也是經(jīng)濟(jì)的問題，需要研究的內(nèi)容眾多，需要研究的重點(diǎn)項(xiàng)目有：（1）超長(zhǎng)大懸索橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)：加勁梁斷面形式、纜索系統(tǒng)以及新型懸索橋的長(zhǎng)期開發(fā)研究；（2）超長(zhǎng)大懸索橋的設(shè)計(jì)、施工；以減少建設(shè)費(fèi)用、縮短工期為目標(biāo)的施工方法以及新拉索材料的長(zhǎng)期開發(fā)研究；（3）長(zhǎng)大多跨懸索橋合理的設(shè)計(jì)、施工方法的開發(fā)研究；（4）大深度基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工：能夠應(yīng)用于大深水或大深度軟弱地基的已有基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)、施