大桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例

赵洁茹+蔡川东

摘 要：文章通过对塔科马大桥的风振事故来探究风振的原理，来概述了风洞试验的发展，以及风振有效的防护措施。

关键词：大桥蛇形共振；桥梁抗风；风振动防范；塔科马大桥

1 理论概述

建造大桥的时候我们不仅仅要考虑大桥的承载能力，美观度以及经济性，此外我们建造的大桥，大跨度桥常常因为柔度非常大，而受风荷载影响很大，大桥在未知的风的作用下会产生十分巨大的变形以及振动。随着桥梁跨度的增大，非线性因素也愈加明显，不确定的因素也就变得很大很大，这就给已经非常复杂的风-车-桥系统研究加大了难度。在风速较大的地区比如芝加哥，修建跨江、跨海铁路大桥时，为了确保桥梁结构及列车运行安全，必须要综合考虑风和列车荷载对桥梁的动力作用。

在国内外关于车桥耦合振动及桥梁抗风研究的基础上，需要考虑大跨度桥梁的几何非线性因素。

我们有必要来探究下大桥共振的原因，我们说的大桥看成不是一个刚体并有自振，在车辆通过大桥的时候对大桥产生压力，大桥就会受力变形，若这个力与大桥自身的震动吻合就会产生共振，然而这个问题要控制在一个安全范围内才对大桥不至于造成破坏。

概括来讲，该问题属于气动弹性振动问题.美国的塔卡马大桥就是这样被垮的。原因是桥垂直方位的结构上的板引起了桥发生一系列振动。桥对风有相当大的阻力，因此风被桥遮挡，高强度的气流只能从结构板上方经过，最后压向了桥表面。由于通过的气流由于连续的被曲折就加快了它流动的速度，由伯努利定律可知在竖直方向上结构板的上方及下方将产生明显的压降。无所谓的是风一直从板正前方吹过来，它的原因是上下方产生的压力降低会导致相互的抵消。麻烦的事是若风方向随机且不停地产生变换，这将导致压力产生不断地波动变化。产生的压力差若加在了整个桥面之上，而且因为能够挡住风的竖直方向的结构板后，将产生涡流并且不断的加强，将会最终导致桥面开始振动。从理论上讲当桥面经受一定流速的气流吹动，就不可避免地会产生自激振动.除此之外一个因素是某个桥墩由于流体的涡振产生松动，这使得桥墩产生周期性的振动，使桥面产生低频振荡，车桥耦合振动的概率很小，由于车辆的激励频率要高好多.

2 桥梁风致病害典型案例分析

我们举一个非常有名的例子吧，就是著名的塔科马大桥由于风振产生的倒塌事故。塔科马大桥常常在施工过程中发生轻微的摆动，这些振动常常使修筑桥的工人的头部感到了晕眩难耐的感觉。然而桥在竣工并且通车后，情况并没有好转，桥身摇摆反而更加剧烈了。这个桥虽然出自大师之手，让人惊讶的是，桥身会产生的振动的幅度竟然达1.5米之大，由于振幅太大，这个振动很有趣的使得驾驶员不能够看到在它前方正在行驶的汽车。

塔科马桥的倒塌是一件让人始料未及的事。1940年，在不到20米/秒的8级大风下，华盛顿州刚刚建成不久的塔科马峡谷悬索桥就发生了十分强烈的扭转振动，桥面的扭转振幅不断增大，最后达到35°扭角时，事故发生了吊索被逐根拉断，桥面继而折断坠入了大峡谷之中。

这次事故不是普通的事故，塔科马大桥的风毁是一个震动桥梁界的转折点。事故发生后专家调查表明，从19世纪初以来已经有10座桥梁遭到了风毁，却未找到造成风致振动的罪魁祸首。那时人们对于吊桥的空气动力学特性知道得很少，人们对狭桥的设计老是找不出瑕疵，这个灾难将打开力学的新纪元。这场灾难虽然在当时说来是属于难以预料的事，但它不仅仅是一次普通的事故，它将对以后工程师们进行桥梁设计产生意义非凡的影响。之后桥的残骸被用来作为测试的材料，这也使风洞试验得以产生和发展。

至今对大跨度的桥梁的所必要的风振分析仍然不能够不借助风洞试验来进行。而且对拉索以及桥塔这一类比较缺乏相同类的风洞试验能作为参考的构件，则更加不能够离开了风洞试验.当前来说，桥梁风振分析的一大缺陷是当今的风洞试验不能够提供理论分析需要的全部数据。

图1 塔科马大桥

3 大桥风振防护措施

在桥中设立减震器常常用来减轻桥梁的共振效应，它可以有效地干扰共振波，不管振动持续多长的时间或是何种振源，而干扰共振波就能够非常有效地减弱已有的振动波。当前广泛运用的减震技术常常会与惯性有很大的关系。桥梁如果用实心的道路来铺设，那么共振波就能够非常容易的传遍至整个桥长，这会使大桥产生无法避免的共振。但若桥面的道路能够由各自不同的截面构架成并且对它采用了相互层叠在一起的的板相连接而成，则其中一个截面的运动就会依靠连接板传递至另一个截面上，从而叠放就会产生一定量的摩擦力，其目的是能够改变桥的频率到达防止振动波的累积的效果。此法的原理就是产生够大的的摩擦来改变共振波具体的的频率，有效地改变波频就能够引起两种相异的波，从而不会相互累积那些能够破坏桥面的力量。

还有就是可以加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面逐渐接近了流线型的构造，从而避免漩涡的脱落的状况会发生，还有就是增大了在竖向振动时桥所所受到的空气阻尼。

4 结语

值得庆幸的是塔科马大桥坍塌事故未造成人员伤亡，但它导致了巨大的经济损失，这次事故的发生告诫了那些建筑设计师们从事设计大型桥梁的工作时，不但需要有多次的精密测算以及建立的模型的反复试验，为确保结构的稳定安全，也要潜心研究空气动力学，学好关于减少风振的知识，还应考虑作用在拉索上的风载对桥梁振动的影响。

随着日后科技的发展，测试的各种技术以及风洞试验的实验设备将会不断革新并完善，建筑师们对紊流风场的各种性质的研究也将会日益的深入，从而建立起更为合理简单的新的气动模型将是指日可待的事。也就是说我们会逐渐攻克一个个技术上的难题，大桥以及高层建筑的风振难题将不会困扰大家，也不会再发生类似于塔科马大桥倒塌的悲剧了。

参考文献

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