向更大跨度发起挑战——桥梁的风致振动与减振技术

2021-01-21 08:37:08 5

关键词:桥梁监测;减振技术;


大跨度桥梁由于刚度较小、质量较轻、阻尼较小,在风的作用下,主梁和其他主要承重构件容易产生较大振幅的振动。其中有影响结构安全的发散振动,如主梁颤振、桥塔驰振、斜拉索风雨振和细长构件的尾流驰振;也有影响结构正常使用的限幅振动,如主梁涡激振动和抖振。不同的风振类型其振动机理和表现形式不一样,振动控制措施也不尽相同。本文简单介绍了桥梁的不同振动形式,列举了常用的抗风减振措施。

大跨桥梁设计中需要考虑的抗风问题

自然风可分为平均风和紊流风,根据风对桥梁结构的作用机理和产生的效应,可分为静力作用和动力作用。动力作用是指结构在风作用下产生的空气弹性动力响应,可以分为发散振动和限幅振动两大类,其中,颤振、驰振、斜拉索风雨振属于发散振动,涡振和抖振属于限幅振动,如图1所示。

图片关键词

图1 风对桥梁结构的作用分类



在桥梁的抗风设计中,需要考虑以下问题:确保桥梁在运营及施工期间具有足够的空气动力稳定性,在相应的检验风速范围内,主梁杜绝出现破坏性的发散振动,即颤振、驰振和空气静力失稳现象;确保桥梁结构在风荷载作用下具有足够的强度和刚度,不出现影响结构正常使用的变形;确保吊杆、斜拉索等构件在运营及施工期间不发生毁坏性的驰振、尾流驰振和风雨振;确保桥梁在运营及施工期间的风致限幅振动——涡激振动和抖振的振幅在容许范围内,不影响桥梁的正常使用和车辆的运行安全。

对于不同的桥型,由于结构刚度、质量和结构动力特性的不同,表现出不同的风效应,抗风设计考虑的侧重点也不同。对于悬索桥和斜拉桥,由于结构轻柔,需考虑运营期抗风安全和抗风舒适性,以及施工期结构和施工机械的抗风安全;梁桥和拱桥一旦建成,刚度较大,一般不存在抗风安全问题,因此,只需考虑施工期悬臂阶段的抗风安全和成桥状态限幅振动引起的抗风舒适度。吊杆和斜拉索需要考虑风雨振和尾流驰振。公路桥梁对于静风引起的横向变形一般不控制,而铁路桥梁需要关注桥梁横向变形对列车行车安全和舒适度的影响。

影响大跨桥梁抗风性能的结构动力特性

桥梁的结构动力特性是指桥梁的振型、频率、振动质量和阻尼比。桥梁抗风设计中的最主要的几个振型为:影响主梁抗风安全即颤振稳定性的振型,主要是第一对称竖弯和第一对称扭转,以及第一反对称竖弯和第一反对称扭转;对于影响舒适性的涡激振动,200米跨度以下的中小跨径桥梁,需要关注第一阶竖弯和第一阶扭转,而大跨度桥梁需要关注高阶振型;大跨桥梁的施工状态,影响施工状态抗风安全的主要是主梁第一竖弯和主梁第一扭转,以及自立桥塔状态时桥塔的顺桥向弯曲、横桥向弯曲振型和桥塔扭转振型。

阻尼对桥梁的风致振动有关键的影响,桥梁阻尼的大小用阻尼比表示。关于桥梁结构阻尼比的选取,《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T_3360-01-2018)对钢桥的阻尼比做了调整,钢箱梁主梁关键振型的阻尼比调整为0.3%,钢桁梁的阻尼比为0.5%。叠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为2%。

风对桥梁的风致振动及控制措施


主梁颤振和控制措施

颤振是一种破坏性的纯扭转或弯扭耦合的发散振动,当达到颤振临界风速时,振动的主梁通过气流的反馈作用从气流中不断吸收能量,导致振幅迅速增大,直至结构破坏。在颤振发展过程中,主梁受到的风速U与颤振临界风速Ucr之间的关系如图2所示,当风速UUcr时,自激力对结构做正功,气流向结构输送能量,结构的振动迅速发散,直至结构破坏;当风速U=Ucr时为临界状态。颤振相当于结构设计中的承载能力极限状态,在检验主梁的颤振稳定性时,桥梁的颤振临界风速必须大于相应的检验风速。

关于2000m+超大跨度悬索桥抗风设计的思考

目前,我国正在规划和设计中的超大跨度桥梁,主跨已超过2000m,对于大跨度悬索桥,其抗风安全和抗风舒适度与一般跨度的桥梁有较大的区别。

1.主梁颤振稳定性

在强风作用下的颤振安全依然是大跨桥梁的控制性问题,必须保障颤振安全。有别于一般的悬索桥,一是大跨度悬索桥平均风引起的静位移和附加攻角对颤振的影响更为显著,需要关注大变形、较大振幅气动力非线性,对颤振稳定性的影响;二是关于颤振评价标准的选择,针对软颤振现象,现有规范的评估标准太苛刻,需用适合于超大跨度桥梁变形特征的颤振评价标准,对主梁的颤振稳定性进行评价。

2.主梁静风稳定性

一般跨度的悬索桥静风失稳不控制,但大跨度的悬索桥横向刚度小、变形大,在平均风作用下,跨中断面的扭转角的增大使得风荷载进一步变大,由于结构非线性的影响,静风失稳可能从一个次要问题变成主要问题,目前已有试验发现桥梁的静风失稳风速低于颤振临界风速。随着桥梁跨度的增大,横向变形和扭转变形急剧加大,对于超过2000米跨度的悬索桥,可能静风失稳比颤振失稳更控制设计。

3.主梁涡激振动特征

超过2000米悬索桥,振型分布密集,振型频率之间的差距很小,低阶振型的涡振风速较低,能量有限,振幅较小,但高阶振型的振动依然在常见风速范围内,须对高阶振型的涡振特性进行详细考察。另外,为了进一步精确评价桥梁的涡激振动性能,有必要对雷诺数、紊流等对涡振的影响规律,以及合理评价准则进行详细的研究。另一方面,大跨桥梁的涡激振动利用机械措施进行制振难以实现,必须通过风洞试验从激励源上消除涡激振动,研究得出具有优越气动形式的超大跨主梁断面形式。

4.主梁抖振响应特征

抖振是由于紊流风中的脉动作用引起的一种随机振动,在风的作用下,结构都有抖振,不可避免。对于一般跨度的悬索桥,由于常见风速下的抖振振幅不大,一般不会超过涡激振动的振幅,因此常见风速下不关注抖振,而更关注高风速下由于抖振所引起的动力风荷载。但对于超过2000米跨度的悬索桥,由于低频部分频率密集,如果采用桁架梁,由于主梁高度较高,风荷载较大,除了关注高风速下的抖振荷载,还应重视常见风速下的抖振响应特征和抖振对主梁运营期间舒适度的影响。

5.常遇风速下的行车舒适性

大跨桥梁行车安全问题可以分为高风速效应和低风速效应。高风速的风作用可能引发车辆侧翻事故,以及因行车线路的偏向或侧滑导致的交通事故。低风速的风作用会降低公路车辆的驾乘舒适度。高风速效应由于强风出现的频率较低,危害并不突出,而2000米跨度以上的桥梁,应重点关注低风速效应。影响行车舒适性的桥梁振动主要是低风速下的涡激振动和抖振。对于一般跨度的桥梁,应避免出现低风速下的涡振;低风速下的抖振振幅较小,一般不会影响行车舒适性。对于超过2000米跨度的悬索桥,低风速下的抖振可能较大,会影响行车舒适性,因此应对常遇风速下的抖振响应对行车舒适性的影响进行研究和评估。



图文源于《桥梁》杂志 2020年 第4期 

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