懸索橋抗風綜述

1、懸索橋橋抗風綜述課程名稱：橋梁抗震抗風指導老師：周詩云專業(yè)：土木工程姓名：羅瀟學號：20134190060學生年級：2013級日期：2016年12月5日目錄懸索橋抗風綜述21.塔科瑪橋的倒塌2. 歐洲抗風方式的改進23. 20世紀末的懸索橋34. 采用拉索系統(tǒng)的新橋型35. 空氣動力學措施46. 機械措施47. 超長大跨懸索橋的可能6參考文獻6懸索橋抗風綜述摘要:本文以大跨徑懸索橋的抗風為研究對象,總結闡述了抗風研究的歷史過程,著重分析了橋梁抗風設計的方法：采用拉索系統(tǒng)提高扁平箱梁形式懸索橋顫振臨界風速；通過改善橋梁斷面的外形來減小氣動力的空氣動力學措施；在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結構的

2、阻尼，并減小作用在結構上的氣動力，從而達到提高懸索橋氣動穩(wěn)定性的目的的機械措施。文中還對超長跨徑懸索橋建設的可行性進行了研究。關鍵詞：橋梁抗風，拉索系統(tǒng)，空氣動力學，機械措施，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速19m/s的強風，剛竣工的全新的塔科瑪懸索橋在風的吹動下，誘發(fā)了扭轉振動導致了可怕的跨橋事故。設計塔科瑪橋時充分考慮了風的靜力作用，還委托華盛頓大學做了模型試驗,并無任何疏忽與漏洞。事故的原因并不是風的靜力作用，而是隨時間變化的風產生的作用力所致。塔科瑪橋的悲劇發(fā)生之后，美國采用的確保懸索橋抗風穩(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。北美抗風對策的實質是桁架和重量。2. 歐洲抗風方式的改進歐洲的技術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)以減小風的作用力或者抑制渦旋的產生。加勁梁由桁架向翼型斷面箱梁的轉變使懸索橋變得更加輕，更加經濟了。箱梁的另一個優(yōu)點是和桁架相比，風的抗力僅為1/3，由于塔頂主纜傳來的水平反力是由橋面系70%的風力而產生的，風的抗力減少至1/3,無疑對塔的設計帶來很大的影響”。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，在風作用和車輛行駛作用下，成為極敏感的結構。風洞試驗的結果，雖然

4、沒有出現(xiàn)塔科瑪橋那樣的破壞振動，但卻總是常常出現(xiàn)發(fā)出嘎啦嘎啦響聲的振動。3. 20世紀末的懸索橋20世紀才真正是長大懸索橋的發(fā)展時期，日本架設了跨度近2000m的世界第一的明石海峽大橋。橋梁是使行人、車輛安全通過的結構物，因此設計時，不僅對人群和車輛荷載，而且也應對臺風、地震等自然界的外力作用。一般而言，橋梁結構隨著跨度的增加，地震的影響卻變小，對風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30s左右的超長大懸索橋的共振現(xiàn)象。下表是遭受重大風災的懸索橋一覽表，懸索橋的風災與跨度無關，其原因是不同的風速作用下，懸索橋可能產生不同

5、的不穩(wěn)定現(xiàn)象。遭受風災的懸索橋一覽表序號橋名所在國家跨度跨橋時間1干鎮(zhèn)修道院橋英國7918182聯(lián)合橋英國13718213納索橋德國7518344布萊頓橋英國7818365蒙特羅斯橋英國13218386梅奈海峽橋英國17718397羅奇伯納德橋法國19518528威靈橋美國30918549尼亞加拉利文斯頓橋美國317186410尼亞加拉克利夫頓橋美國384188911塔科瑪橋美國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速的研究已在活躍的進行。（1）豎斷面交叉索方式豎斷面交叉索方式是用細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力的，初期恒載應力的成為橫吊桿方式，無初期恒載應力的則稱為橫拉索方式。（2）主纜上交叉索方式懸索橋以對稱振型扭轉振動時，主塔的兩根塔柱則相對于橋軸方向反相位振動，將主纜用拉索橫向連接的主纜上交叉索的方式。懸索橋以反對稱振型扭轉振動時，主塔在橋軸方向幾乎不移動，在實際設計時，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，加勁梁會有大的扭轉變形，因此，在風作用下，有在更低的風速區(qū)發(fā)

7、生扭轉顫振的危險，設計時必須注意。(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個分離的橋面分別懸吊在2個分離的橋塔和纜索系統(tǒng)，并用橫向連接系連接2個分離的橋面。這種體系具有更大的扭轉剛度。同時，風洞試驗表明這種懸索橋方案也具有良好的氣動穩(wěn)定性。(6) 剛性吊桿傳統(tǒng)懸索橋設計中，基本都采用高強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位移，約束橋面的扭轉振動,從而提高懸索橋的扭轉剛度。當剛性吊桿布置在中跨的1/3處附近時，能夠有效地提咼懸索橋的扭轉頻率，顫振臨

8、界風速也可以提咼到原來的60%左右。5. 空氣動力學措施氣流繞過橋梁截面時，發(fā)生相互作用而產生空氣作用力，而截面氣動外形的改變勢必會影響到空氣力。因此，改善氣動穩(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力。(1) 邊緣風嘴措施在加勁梁截面兩端設置風嘴，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，而且風嘴的尖端角度越小，對顫振穩(wěn)定性的改善越大；而在尖端角度相同的情況下，尖端長度較大的風嘴的氣動性能就越好。(2) 中央開槽措施傳統(tǒng)的流線型箱形斷面中間開槽，可以增加透風率，減小加勁梁頂?shù)酌娴膲毫Σ?。試驗和分析都顯示中央開

9、槽的閉口箱梁的顫振臨界風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速會繼續(xù)上升。在Messina海峽橋方案的研究中，理論分析和風洞實驗的結果都表明，采用開槽箱形主梁斷面，可得到令人滿意的抗風性能。(3) 分離箱梁方案分離式箱梁設計，實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率，減小加勁梁頂?shù)酌娴目諝鈮毫Σ顝亩黾託鈩臃€(wěn)定性。同時這一方案保持了傳統(tǒng)閉口箱梁結構的優(yōu)點，如空氣阻力系數(shù)小、渦振性能好6. 機械措施機械措施主要是在加勁梁上安裝一些輔助裝置來增大結構的阻尼，并減小作用在結構上的氣動力，從而達到提高懸索橋氣動穩(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、背風邊緣安裝的控制面。當加勁梁在氣流作用下發(fā)生振動時，利用作用在控制面上的氣動力來增大結構振動的阻尼，從而提高顫振臨界風速。根據(jù)控制原理的不同又可分為主動控制和被動控制。（1）阻尼器為了間接地提高結構的阻尼，調諧質量阻尼器（TMD）（下圖）在土木結構中得到了廣泛的應用。TMD是由質量塊、彈簧和阻尼器組成的一個復雜的機械裝置，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構的振動能量傳遞到頻率相近的阻尼器上，然后加以耗散，從而達到減小結構振幅的目的。調質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）主動控制措施控制

11、面的主動控制措施是在加勁梁的迎風、背風邊緣安裝上控制面，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(tǒng)振動起穩(wěn)定作用的氣動力，來達到抑制顫振發(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翼板、在橋梁的迎風側安裝豎直可動板以及在主梁的迎風和背風面安裝可動板或可動風嘴等。a. 主動控制原理示意b. 主動控制方法控制面主動控制的優(yōu)點是幾乎可對任意風速都能進行反饋控制抑制顫振發(fā)生，其缺點是需要致動器、傳感器、控制設備（執(zhí)行、實現(xiàn)控制流）

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

13、氣動措施均被采用。采用控制面進行被動控制的方法，雖然不像主動方法那樣可對任意風速都能解決顫振問題，但這種方法顯然更為簡便、可靠，易于為橋梁工程師所接受。7. 超長大跨懸索橋的可能在20世紀橋梁工程取得巨大成就的基礎上，21世紀的世界橋梁工程將進入建設跨海聯(lián)島工程的新時期。日本本州一四國聯(lián)絡線工程和丹麥大小海帶橋的建成是20世紀的里程碑。在21世紀上半葉，已經規(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現(xiàn)。在歐洲、英倫三島、挪威沿海諸島、德國和丹麥之問的費曼海峽以及意大利的墨西拿海峽也都將實施跨海工程建設。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陸路通道。中國的崛起令世界矚目。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行工程可行性的研究，舟山聯(lián)島工程也已開始實施。可預計21世紀的中國將在橋梁建設中做出輝煌的成就，屹立于世界橋梁強國之列。眾多的跨海工程，需要面對更加嚴酷的自然環(huán)境，不僅僅是技術的問題，也是經濟的問題，需要研究的內容眾多，需要研究的重點項目有：（1）超長大懸索橋抗風設計：加勁梁斷面形式、纜索系統(tǒng)以及新型懸索橋的長期開發(fā)研究；（2）超長大懸索橋的設計、施工；以減少建設費用、縮短工期為目標的施工方法以及新拉索材料的長期開發(fā)研究；（3）長大多跨懸索橋合理的設計、施工方法的開發(fā)研究；（4）大深度基礎的設計、施工：能夠應用于大深水或大深度軟弱地基的已有基礎形式設計、施