现代桥梁的抗风理论及其应用

聂彦军+谭超

摘 要：随着我国基础建设的发展与进步，桥梁建设作为其中重要组成部分，发挥着不可替代的作用。随着现代大跨度桥梁所占比例上升，风荷载已经成为桥梁设计中不可忽略的因素。确保桥梁建设的质量要求，桥梁的抗风设计必不可少。因此，研究现代桥梁抗风理论及其应用是十分有用以及必要的。

关键词：桥梁建设；抗风理论；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.087

0 前言

桥梁应能在各种自然灾害作用下保证交通的通畅。随着现代桥梁的发展，风作为一种发生频率高的自然灾害，对桥梁产生了严重的威胁。在这种情况下，保证桥梁的质量和安全就必须提高现代桥梁的抗风理论及应用。

1 桥梁风环境

1.1 强风平均风速剖面

桥梁的抗风设计必须要考虑近地层强风的作用。在设计过程中，应对桥梁施工地点实际情况与施工高度的强风进行跟踪测量，采用的测量工具包括大气风廓线仪和超声风速仪。通过相应的测量绘制强风平均风速剖面示意图，然后在桥梁施工过程中较为合理的开展工作，从而增强桥梁的抗风性能。

1.2 极值风速风向的统计分析

桥梁建设过程中极值风速风向的统计分析对于桥梁的建设有很重要的作用。在我国实际工程中通常使用三种极值分布概率模型进行分析。在不同的地点，极端风速的分布在任一点各个方向上存在差异性。大部分桥梁工程结构，特别是现代大跨桥梁结构在空间不同方位的差异更加明显。

1.3 近地风的风洞模拟

大气边界层近地风的风洞模拟在桥梁设计中是不可或缺的步骤，风洞模拟按照有无控制部件可分为主动模拟与被动模拟两种类型，其中被动模拟主要是通过湍流边界层进行控制。而主动模拟主要指可控制运动机构。通过以上两种模拟方式的实施，我们能够更好地进行桥梁抗风的合理设计。

2 桥梁抗风研究方法

2.1 风洞实验

风洞实验研究既是空气动力效应研究的一个重要内容，也是一个最重要的手段。Tacoma Narrows Bridge的风毁事故之后，使桥梁工程师们开始认识到风不仅仅是静力作用，从而开启了全面研究大跨度桥梁风致振动和气动弹性理论的序幕。科技的进步产生了多种风洞实验方法，主要有全桥气弹模型、拉条弹性模型、节段刚性模型。在风洞实验的所有类型中，全桥气动弹性是我国最早在桥梁抗风研究中应用的模型。

2.2 数值模拟

对于二维桥梁断面气动参数的数值风洞识别，目前普遍应用的方法是数值模拟。桥梁断面附近区域存在着变化复杂的湍流，而湍流运动是一种随机过程，这给数值模拟提出了很大的挑战。我国现阶段运用的试验方法包括直接数值模拟、大涡模拟和雷诺时均模拟。同济大学先后自主开发出FEM—FLUID和RVM—FLUID模拟软件，后期又引进了FLUENT商业软件，作为上述两种软件的补充和验证。

2.3 理论分析

根据风振形式的不同，桥梁风振理论的分为颤振理论、抖振理论、驰振理论以及涡振理论。因为驰振和涡振出现概率较小，所以颤振和抖振作为现代桥梁的分析重点。对于颤振理论，随着时间的推进和科技的发展，经历了由简到繁，由理论到实践，由近似到精确的发展历程。二维颤振理论分析方法广泛应用于桥梁工程。但是随着桥梁跨度的增大，桥梁结构的结构侧向刚度急剧降低，造成了侧弯与扭转振型耦合。另外，由于结构各阶自振频率相符度越来高，为了精确的分析桥梁颤振，研发高精度的三维桥梁颤振分析方法十分必要。

抖振是湍流绕钝体结构形成的，是一种不发散的强迫振动。现阶段普遍的抖振理论包括Davenport 的抖振分析理论、Scanlan的颤抖振分析理论和Lin的时域抖振分析理论。通过理论计算与现场实测的结果对比，发现强风与桥跨的法向存在较大偏角，分析抖振响应将出现较大误差。因此，应当建立斜风作用下的大跨桥梁抖振响应的分析的精确方法。

3 桥梁的抗风设计

3.1 动力稳定性与改善

21世纪开始，在桥梁领域建成了一批跨径大、技术含量高的现代桥梁。要确保这些大跨度桥梁设计工作的质量，进行桥梁的动力稳定性进行计算和设计是必不可少的。因此，大跨桥梁进行建设前期，应按照现代桥梁稳定性要求，运用抗风理论对桥梁的抗风能力和建设强度进行计算和设计，从而对桥梁的建设质量进行保证。

3.2 静风等效荷载计算

在桥梁抗风理论设计运用的过程中，静风等效荷载的计算与设计是其中重要的组成部分，需要考虑风的特性和桥梁的结构特性两者之间的相互作用。Davenport研究理论使风荷载计算更为精确，同时也提出了阵风荷载系数与阵风的具体效益系數的观点，从而使等效风的荷载情况通过计算模型延伸到更大的领域。根据现代桥梁的空间结构，可以研究桥梁的静态风力等效情况，并根据风速在同一时间段内设计长跨度桥梁的静态风力替代方案。在制定完成多种等效风测算方案后，应通过线性连接方式设计静态风替换方案，使静风等效荷载方法正确使用。

4 结论

中国桥梁建设自20世纪80年代的起步发展，经过20世纪90年代的学习与提高，到了21世纪，在前两个时期的发展积累下，不断自主创新提高桥梁建设的核心竞争力。在桥梁的抗风理论与应用方面取得了很大的发展，但依然存在着一些薄弱环节。因此，我国的桥梁抗风理论的研究应该更加深入。通过不断完善理论方法促进桥梁事业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]项海帆，葛耀君.大跨度桥梁抗风技术挑战与基础研究[J].中国工程科学，2010，35（06）：77-78.

[2]卞乘伟，王伟.浅析桥梁抗风理论两次跃迁中的辩证法——从悬索桥风毁失败到斜拉桥抗风的成功[J].科技资讯，2010，30（01）：83-84.