改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能的實(shí)踐和探索
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共2頁
摘要：改善抗風(fēng)穩(wěn)定性能是大跨度懸索橋設(shè)計(jì)和建造中的一個(gè)重要課題。本文從提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)性能等三個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外在改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能中的實(shí)踐和探索，并歸納出了一些理論分析和試驗(yàn)研究的結(jié)論，這些結(jié)果將有助于我國(guó)2000m以上大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和研究。
關(guān)鍵詞：懸索橋 抗風(fēng)穩(wěn)定性 顫振 系統(tǒng)剛度 結(jié)構(gòu)阻尼 氣動(dòng)性能
一、引言
隨著橋梁設(shè)計(jì)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(guó) 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(jì)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(jìn)行 2800m跨度的懸索橋全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(guó)自1999年建成了1385m的江陰長(zhǎng)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(zhǎng)帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的急劇下降，這使得風(fēng)致振動(dòng)對(duì)橋梁安全性的影響更加重要，而影響風(fēng)振性能最關(guān)鍵的因素就是抗風(fēng)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(dòng)，是在結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力、彈性力和自激氣動(dòng)力共同作用下所發(fā)生的一種空氣動(dòng)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(dòng)力特性，而自激氣動(dòng)力主要與結(jié)構(gòu)斷面的氣動(dòng)外形有關(guān)。因此，改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能的探索主要從以下三個(gè)方面著手，即提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)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(diǎn)應(yīng)放在主纜上。通過調(diào)整主纜同加勁梁的相對(duì)位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的目的[3]，而顫振臨界風(fēng)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(duì)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(shí)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(dòng)頻率。因?yàn)榧觿帕号まD(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)時(shí)兩根主纜作異相抖動(dòng)，表現(xiàn)為沿著橋梁軸線的反對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對(duì)稱抖動(dòng)，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(qiáng)。
2．橫向輔助索
橫橋向布置的輔助會(huì)對(duì)也可增強(qiáng)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(dòng)同側(cè)向水平振動(dòng)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(dāng)主梁扭轉(zhuǎn)時(shí)由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總是伴隨著主纜的運(yùn)動(dòng)和加勁梁的側(cè)向水平運(yùn)動(dòng)，對(duì)相同荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中a方案較為經(jīng)濟(jì)，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(gè)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(dòng)同側(cè)向振動(dòng)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(jiǎn)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(shí)際要求既可在施工過程中充當(dāng)施工臨時(shí)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(jìn)一步改進(jìn)的余地，如將橫向交叉索擴(kuò)展到全跨或?qū)⒍骼|連接起來以進(jìn)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(jì)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(fēng)速的效率以及造價(jià)、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(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的問題，通常的布設(shè)位置在主跨的四分點(diǎn)處。相關(guān)的理論計(jì)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(shí)在中跨和邊跨布橫向索的效果不如單獨(dú)在一跨布索。當(dāng)然這一結(jié)構(gòu)的正確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，因?yàn)樵谟?jì)算中采用風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)氣動(dòng)力和采用 Theordorson函數(shù)表達(dá)的氣動(dòng)力進(jìn)行計(jì)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?yàn)橹挥性诳缍茸銐虼蟮那闆r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(yùn)動(dòng)。對(duì)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(dòng)特性
采用控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的方法來改善大跨度懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性能主要從增加結(jié)構(gòu)阻尼和干擾振動(dòng)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(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。應(yīng)用被動(dòng)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(diǎn)在于它的低造價(jià)和簡(jiǎn)便性。被動(dòng)調(diào)質(zhì)阻厄器的理論分析和節(jié)段模型試驗(yàn)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(dòng)慣量的大小，調(diào)質(zhì)阻尼器與受控系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比越大，控制效果越好。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高于5.6％時(shí)，調(diào)質(zhì)阻尼器能提高顫振臨界風(fēng)速40％左右。因此，調(diào)質(zhì)阻尼器能顯著地提高顫振臨界風(fēng)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?yàn)檎{(diào)質(zhì)阻尼器所提供的阻尼值在整個(gè)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(duì)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(dá)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(rèn)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(dòng)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(dòng)形態(tài)來達(dá)到改善橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)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(yùn)動(dòng)同加勁梁的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相耦會(huì)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(dòng)的偏心質(zhì)量
[7]，通過對(duì)其主動(dòng)控制可提高顫振臨界風(fēng)速80％，但因所需質(zhì)量的大小和致動(dòng)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(dòng)以降低氣動(dòng)力矩的方去別是在加勁梁斷面兩側(cè)安置一個(gè)充滿水的管道，當(dāng)接近顫振臨界狀態(tài)時(shí)排空背風(fēng)側(cè)管道中的水，這樣斷面扭轉(zhuǎn)中心就向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng)使氣動(dòng)力臂減小而降低了氣動(dòng)力矩，提高了穩(wěn)定性，這一方法曾經(jīng)運(yùn)用在Humber橋的顫振控制中。
