大跨度橋梁抗風(fēng)措施研究

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1、2015年11月第11期城市道橋與防洪橋梁結(jié)構(gòu)65大跨度橋梁抗風(fēng)措施研究吳志勤，何超(1．南京先行交通工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，江蘇南京21016；2．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430056)摘要：橋梁風(fēng)害是人們非常關(guān)心的問(wèn)題之一。橋梁應(yīng)具有抵抗風(fēng)作用的能力，風(fēng)對(duì)橋梁的作用不單純是平均風(fēng)的靜力作用，特別是大跨度橋梁，其柔性較大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮顫振、抖振、弛振等空氣動(dòng)力問(wèn)題。分析總結(jié)了以往的橋梁風(fēng)毀事故，研究了風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用及其對(duì)策，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。關(guān)鍵詞：大跨度橋梁；顫振；抖振；弛振中圖分類號(hào)：u448．14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

2、A文章編號(hào)：1009—7716(2015)11-0~5—05明顯的振動(dòng)。其中在1951年對(duì)金門大橋進(jìn)行實(shí)測(cè)0引言時(shí)，發(fā)現(xiàn)該橋在8～9級(jí)風(fēng)力的作用下，主梁1／4處1879年12月，英國(guó)的Tay橋遭受暴風(fēng)雨襲的最大單幅1．7m【”。如此強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)擊，85跨鑄鐵桁架中的13跨連同正行駛于其上的的疲勞壽命、行車安全等的危害是不言而喻的。一列火車一起墜人河中。1940年秋，在19m／s的8表1風(fēng)毀橋梁一覽表級(jí)大風(fēng)作用下，美國(guó)華盛頓建成僅4個(gè)月的塔科馬峽谷懸索橋發(fā)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。橋面的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不斷增大，發(fā)展到±45o的扭角時(shí)，吊索被逐根拉斷，橋面折斷

3、墜落入峽谷中。塔科馬大橋的風(fēng)毀引起了國(guó)際橋梁工程界和空氣動(dòng)力界的極大關(guān)切，并開展了大量的理論探索和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。事故發(fā)生后的調(diào)查表明，自19世紀(jì)初以來(lái)已有1O座橋梁遭到了風(fēng)毀，橋梁風(fēng)害也由此被納入到橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容中來(lái)。一直到20世紀(jì)50年代，通過(guò)吸取教訓(xùn)，改進(jìn)主梁斷面形狀后，大跨度橋梁又得到蓬勃發(fā)展，美國(guó)、日本和丹麥等國(guó)先后建成了主跨在1km以上的大跨度懸索橋，其中日本1998年建成的明石海峽橋主跨達(dá)1990．8m。隨著大跨度橋梁建設(shè)的日益興起，橋梁抗風(fēng)方面的研究也逐漸成為大跨度橋梁設(shè)計(jì)方面所關(guān)注的焦點(diǎn)。1橋梁風(fēng)害的回顧1962年到1963年間，日本的一

4、座架設(shè)中的桁架橋和一座簡(jiǎn)易人行吊橋相繼遭到風(fēng)毀。1964年有記錄的橋梁風(fēng)毀事故發(fā)生于1818年，在狂建成的英國(guó)福斯橋的獨(dú)立橋塔在施工中因風(fēng)振而風(fēng)作用下，蘇格蘭的D~burghAbbey橋遭到毀壞。產(chǎn)生塔柱接頭部位的損傷。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)大直到1940年，世界范圍內(nèi)先后有12座橋因風(fēng)的跨度橋梁的建設(shè)，橋梁的風(fēng)害也時(shí)有發(fā)生。例如廣作用而遭到不同程度的破壞，見表1。其中風(fēng)害造東南海九江公路斜拉橋施工中吊機(jī)被大風(fēng)吹倒，成嚴(yán)重事故是英國(guó)蘇格蘭的Tay橋的倒塌，共造成砸壞主梁；江西九江長(zhǎng)江公路鐵路兩用鋼拱橋吊了75人死亡。此外，風(fēng)震將導(dǎo)致大跨徑橋梁產(chǎn)生桿的渦激共

5、振、上海楊浦斜拉橋纜索的渦振和雨收稿日期：2015—07—13振使索套損壞等】。這些橋梁風(fēng)害事故的出現(xiàn)使人作者簡(jiǎn)介：吳志勤(1981一)，男，江蘇南京人，工程師，從事混凝土們?cè)絹?lái)越意識(shí)到橋梁風(fēng)害問(wèn)題的重要性，促使橋橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。66橋梁結(jié)構(gòu)城市道橋與防洪2015年11月第11期梁工作者對(duì)風(fēng)作用進(jìn)行深入研究分析。的顫振類同，是一種風(fēng)致扭轉(zhuǎn)發(fā)散振動(dòng)；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為塔科馬橋的主梁是H型斷面，存在明顯的2風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用渦流脫落，因此是一種渦激共振。兩種觀點(diǎn)互相爭(zhēng)根據(jù)風(fēng)荷載的速度變化規(guī)律及作用周期長(zhǎng)論，直到1969年，斯坎倫(R．Scanlan)提出了鈍

6、體短，通常將其劃分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩種類型。斷面的分離流顫振理論，成功地解釋了塔科馬橋在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，風(fēng)對(duì)橋梁作用的速度大的風(fēng)毀機(jī)理，并由此奠定了橋梁顫振的理論基礎(chǔ)。小及方向不隨時(shí)間改變，且作用周期遠(yuǎn)大于橋梁結(jié)在這以后，又發(fā)展了多種橋梁顫振分析方法。使大構(gòu)的自振周期l2l，此類風(fēng)荷載稱為平均風(fēng)，其對(duì)橋跨度橋梁的顫振問(wèn)題在工程上得到了較好的解梁的作用類似于靜力作用。平均風(fēng)的靜壓對(duì)結(jié)構(gòu)釋。產(chǎn)生阻力、升力和力矩作用，可引起橋梁的強(qiáng)度、顫振是一種危險(xiǎn)的自激發(fā)散振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)變形破壞及靜力失穩(wěn)。到臨界風(fēng)速時(shí)，振動(dòng)的橋梁通過(guò)氣流的反饋?zhàn)饔蔑L(fēng)速圍繞平均風(fēng)速隨時(shí)問(wèn)

7、隨機(jī)變化，同時(shí)作不斷吸取能量從而使振幅逐步增大直至最后結(jié)構(gòu)用周期較短_2]此類風(fēng)荷載為脈動(dòng)風(fēng)，其屬于不規(guī)則破壞。它是指橋梁以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式或扭轉(zhuǎn)與豎向運(yùn)動(dòng)的風(fēng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于動(dòng)力作用。結(jié)彎曲振動(dòng)相耦合形式的破壞性發(fā)散振動(dòng)，顫振分構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象是多樣化的，總體可劃分為兩扭轉(zhuǎn)顫振和彎扭顫振兩種。目前已有學(xué)者對(duì)橋梁大類：抖振和自激振動(dòng)。多模態(tài)耦合顫振的自動(dòng)分析進(jìn)行了相關(guān)研究【3_。風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理十分復(fù)雜，它受到風(fēng)3．2馳振本身的自然特性(環(huán)境、地形、地貌)和橋梁結(jié)構(gòu)的對(duì)于非圓形截面的邊長(zhǎng)比在一定范圍內(nèi)的類動(dòng)力特性(結(jié)構(gòu)固有頻率、振型特性、阻尼

8、特性)以似矩形截面的鈍體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，升力曲線的負(fù)斜及風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)的相互影響等三方面因素的制率效