關鍵詞：橋梁監測；減振技術；

大跨度橋梁由于剛度較小、質量較輕、阻尼較小，在風的作用下，主梁和其他主要承重構件容易產生較大振幅的振動。其中有影響結構安全的發散振動，如主梁顫振、橋塔馳振、斜拉索風雨振和細長構件的尾流馳振；也有影響結構正常使用的限幅振動，如主梁渦激振動和抖振。不同的風振類型其振動機理和表現形式不一樣，振動控制措施也不盡相同。本文簡單介紹了橋梁的不同振動形式，列舉了常用的抗風減振措施。

大跨橋梁設計中需要考慮的抗風問題

自然風可分為平均風和紊流風，根據風對橋梁結構的作用機理和產生的效應，可分為靜力作用和動力作用。動力作用是指結構在風作用下產生的空氣彈性動力響應，可以分為發散振動和限幅振動兩大類，其中，顫振、馳振、斜拉索風雨振屬于發散振動，渦振和抖振屬于限幅振動，如圖1所示。

圖1 風對橋梁結構的作用分類

在橋梁的抗風設計中，需要考慮以下問題：確保橋梁在運營及施工期間具有足夠的空氣動力穩定性，在相應的檢驗風速范圍內，主梁杜絕出現破壞性的發散振動，即顫振、馳振和空氣靜力失穩現象；確保橋梁結構在風荷載作用下具有足夠的強度和剛度，不出現影響結構正常使用的變形；確保吊桿、斜拉索等構件在運營及施工期間不發生毀壞性的馳振、尾流馳振和風雨振；確保橋梁在運營及施工期間的風致限幅振動——渦激振動和抖振的振幅在容許范圍內，不影響橋梁的正常使用和車輛的運行安全。

對于不同的橋型，由于結構剛度、質量和結構動力特性的不同，表現出不同的風效應，抗風設計考慮的側重點也不同。對于懸索橋和斜拉橋，由于結構輕柔，需考慮運營期抗風安全和抗風舒適性，以及施工期結構和施工機械的抗風安全；梁橋和拱橋一旦建成，剛度較大，一般不存在抗風安全問題，因此，只需考慮施工期懸臂階段的抗風安全和成橋狀態限幅振動引起的抗風舒適度。吊桿和斜拉索需要考慮風雨振和尾流馳振。公路橋梁對于靜風引起的橫向變形一般不控制，而鐵路橋梁需要關注橋梁橫向變形對列車行車安全和舒適度的影響。

影響大跨橋梁抗風性能的結構動力特性

橋梁的結構動力特性是指橋梁的振型、頻率、振動質量和阻尼比。橋梁抗風設計中的最主要的幾個振型為：影響主梁抗風安全即顫振穩定性的振型，主要是第一對稱豎彎和第一對稱扭轉，以及第一反對稱豎彎和第一反對稱扭轉；對于影響舒適性的渦激振動，200米跨度以下的中小跨徑橋梁，需要關注第一階豎彎和第一階扭轉，而大跨度橋梁需要關注高階振型；大跨橋梁的施工狀態，影響施工狀態抗風安全的主要是主梁第一豎彎和主梁第一扭轉，以及自立橋塔狀態時橋塔的順橋向彎曲、橫橋向彎曲振型和橋塔扭轉振型。

阻尼對橋梁的風致振動有關鍵的影響，橋梁阻尼的大小用阻尼比表示。關于橋梁結構阻尼比的選取，《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T_3360-01-2018)對鋼橋的阻尼比做了調整，鋼箱梁主梁關鍵振型的阻尼比調整為0.3%，鋼桁梁的阻尼比為0.5%。疊合梁主梁振型的阻尼比一般取1.0%，混凝土梁主梁振型的阻尼比一般為2%。

風對橋梁的風致振動及控制措施

主梁顫振和控制措施

顫振是一種破壞性的純扭轉或彎扭耦合的發散振動，當達到顫振臨界風速時，振動的主梁通過氣流的反饋作用從氣流中不斷吸收能量，導致振幅迅速增大，直至結構破壞。在顫振發展過程中，主梁受到的風速U與顫振臨界風速Ucr之間的關系如圖2所示，當風速UUcr時，自激力對結構做正功，氣流向結構輸送能量，結構的振動迅速發散，直至結構破壞；當風速U=Ucr時為臨界狀態。顫振相當于結構設計中的承載能力極限狀態，在檢驗主梁的顫振穩定性時，橋梁的顫振臨界風速必須大于相應的檢驗風速。

關于2000m+超大跨度懸索橋抗風設計的思考

目前，我國正在規劃和設計中的超大跨度橋梁，主跨已超過2000m，對于大跨度懸索橋，其抗風安全和抗風舒適度與一般跨度的橋梁有較大的區別。

1.主梁顫振穩定性

在強風作用下的顫振安全依然是大跨橋梁的控制性問題，必須保障顫振安全。有別于一般的懸索橋，一是大跨度懸索橋平均風引起的靜位移和附加攻角對顫振的影響更為顯著，需要關注大變形、較大振幅氣動力非線性，對顫振穩定性的影響；二是關于顫振評價標準的選擇，針對軟顫振現象，現有規范的評估標準太苛刻，需用適合于超大跨度橋梁變形特征的顫振評價標準，對主梁的顫振穩定性進行評價。

2.主梁靜風穩定性

一般跨度的懸索橋靜風失穩不控制，但大跨度的懸索橋橫向剛度小、變形大，在平均風作用下，跨中斷面的扭轉角的增大使得風荷載進一步變大，由于結構非線性的影響，靜風失穩可能從一個次要問題變成主要問題，目前已有試驗發現橋梁的靜風失穩風速低于顫振臨界風速。隨著橋梁跨度的增大，橫向變形和扭轉變形急劇加大，對于超過2000米跨度的懸索橋，可能靜風失穩比顫振失穩更控制設計。

3.主梁渦激振動特征

超過2000米懸索橋，振型分布密集，振型頻率之間的差距很小，低階振型的渦振風速較低，能量有限，振幅較小，但高階振型的振動依然在常見風速范圍內，須對高階振型的渦振特性進行詳細考察。另外，為了進一步精確評價橋梁的渦激振動性能，有必要對雷諾數、紊流等對渦振的影響規律，以及合理評價準則進行詳細的研究。另一方面，大跨橋梁的渦激振動利用機械措施進行制振難以實現，必須通過風洞試驗從激勵源上消除渦激振動，研究得出具有優越氣動形式的超大跨主梁斷面形式。

4.主梁抖振響應特征

抖振是由于紊流風中的脈動作用引起的一種隨機振動，在風的作用下，結構都有抖振，不可避免。對于一般跨度的懸索橋，由于常見風速下的抖振振幅不大，一般不會超過渦激振動的振幅，因此常見風速下不關注抖振，而更關注高風速下由于抖振所引起的動力風荷載。但對于超過2000米跨度的懸索橋，由于低頻部分頻率密集，如果采用桁架梁，由于主梁高度較高，風荷載較大，除了關注高風速下的抖振荷載，還應重視常見風速下的抖振響應特征和抖振對主梁運營期間舒適度的影響。

5.常遇風速下的行車舒適性

大跨橋梁行車安全問題可以分為高風速效應和低風速效應。高風速的風作用可能引發車輛側翻事故，以及因行車線路的偏向或側滑導致的交通事故。低風速的風作用會降低公路車輛的駕乘舒適度。高風速效應由于強風出現的頻率較低，危害并不突出，而2000米跨度以上的橋梁，應重點關注低風速效應。影響行車舒適性的橋梁振動主要是低風速下的渦激振動和抖振。對于一般跨度的橋梁，應避免出現低風速下的渦振；低風速下的抖振振幅較小，一般不會影響行車舒適性。對于超過2000米跨度的懸索橋，低風速下的抖振可能較大,會影響行車舒適性，因此應對常遇風速下的抖振響應對行車舒適性的影響進行研究和評估。

圖文源于《橋梁》雜志 2020年 第4期 

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