改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能的實(shí)踐和探索

改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能的實(shí)踐和探索

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，在最近兩年接連被丹麥GreatBelt懸索橋和日本AkashiKaikyO懸索橋所超越，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(guò)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)劃中的同三線等大型跨海工程中。懸索橋跨度大幅度增長(zhǎng)帶來(lái)的主要問(wèn)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(lái)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(guò)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，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(lái)提高懸索橋的側(cè)向和扭轉(zhuǎn)剛度，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過(guò)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(lái)，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(wú)法在跨中將主纜同橋面作剛性連接，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(lái)施工，而橫向交叉索可以根據(jù)實(shí)際要求既可在施工過(guò)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(lái)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(lái)了較大的困難。方案d還有纜索用量較大調(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％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；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；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；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；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(guò)干擾原有結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)來(lái)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(guò)回轉(zhuǎn)矩來(lái)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，通過(guò)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(guò)大，所以現(xiàn)在還無(wú)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。

四、改善橋梁斷面氣動(dòng)性能改善橋梁斷面的氣動(dòng)性能的著眼點(diǎn)在于從作用于橋梁上的氣動(dòng)力中獲取有利于顫振穩(wěn)定的效能。具體的實(shí)現(xiàn)可通過(guò)兩條途徑：其一是改善加勁梁的斷面型式，并對(duì)加勁梁的氣動(dòng)外形進(jìn)行微調(diào)；其二是安裝附加的主動(dòng)或被動(dòng)控制面以獲得穩(wěn)定氣動(dòng)力。1．氣動(dòng)外形的改進(jìn)現(xiàn)有大跨懸索橋的加勁梁型式主要有歐洲常采用的扁平閉合箱梁型式和在美國(guó)、日本應(yīng)用較多的行梁型式。榆梁型式的優(yōu)點(diǎn)是加勁梁可以達(dá)到比較高的抗扭剛度，且透風(fēng)性能好，所以其顫振臨界風(fēng)速較高，如日本的AkashiKaikyo懸索橋采用的就是行梁加勁。閉口箱梁型式的優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)的節(jié)省和更好的美學(xué)效果，目前應(yīng)用較為廣泛，如丹麥的大海帶橋，不過(guò)閉口箱梁型式的顫振穩(wěn)定性不如行梁型式加勁梁，要提高采用閉口箱梁型式加勁梁的懸索橋的顫振性能。(2）改善加勁梁截面兩端的外形，如添加風(fēng)嘴等，以改善氣流繞流的流態(tài)，減少渦脫，使截面趨向流線型。(3)加勁梁中心開(kāi)槽以增加透風(fēng)車，減小加勁梁頂?shù)酌娴膲毫Σ睢９?jié)段模型試驗(yàn)和兩自由度顫振分析顯示中心開(kāi)槽的閉口箱梁的顫振臨界風(fēng)速將得到一定的提高，而且隨著開(kāi)槽寬度的增加橋梁的顫振臨界風(fēng)速會(huì)繼續(xù)上升［10］，當(dāng)然這樣會(huì)增加橋塔和下部結(jié)構(gòu)的造價(jià)。在加勁梁斷面布置導(dǎo)流板、抑流板或擾流板、中央穩(wěn)定權(quán)等以改變繞流流態(tài)也可以提高橋梁的顫振穩(wěn)定性。但這類方法的機(jī)理尚未研究透徹，所以這類導(dǎo)流板的具體型式、尺寸和布置部位都需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)測(cè)試。避免采用實(shí)體欄桿和較高的緣石，增加欄桿的透風(fēng)率。采用以上的氣動(dòng)措施雖然能在一定程度上提高橋梁的顫振臨界風(fēng)速，但這些抗風(fēng)措施的效能是比較有限的。即使合理運(yùn)用了這些措施，當(dāng)跨度繼續(xù)增大后，這兩種傳統(tǒng)斷面懸索橋的顫振臨界風(fēng)速仍將顯著下降。其原因在于大跨懸索橋彎扭耦合顫振失穩(wěn)發(fā)生時(shí)的臨界風(fēng)速主要取決于橋梁的扭彎頻率比，扭彎頻率比越大顫振臨界風(fēng)速越高。而橋梁的振動(dòng)頻率又主要取決于結(jié)構(gòu)的整體剛度和慣性。大跨度懸索橋的剛度絕大部分是由主纜提供的，加勁梁的彎曲振動(dòng)模態(tài)實(shí)際上是兩根主纜作同相抖動(dòng)所引起的，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)則是主纜作異相抖動(dòng)所致。僅就兩根主纜并受到理想支承而言，主纜作同相或異相抖動(dòng)的頻率是相同的，在實(shí)際懸索橋中由于加入了加勁梁和橋塔的剛度和質(zhì)量，并且加勁梁和橋塔的抗扭剛度同抗彎剛度有很大差別，從而造成了實(shí)際懸索橋彎頻、扭頻的差異。但隨著跨度的增大，主梁、橋塔提供的剛度在結(jié)構(gòu)整體剛度中所占的比例越來(lái)越小，結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性越來(lái)越向僅有兩根主纜的情況接近，因而扭彎頻率越來(lái)越接近，形成惡劣的氣動(dòng)穩(wěn)定性。因此，要實(shí)現(xiàn)超大跨度懸索橋就必須提出顫振穩(wěn)定性更好的加勁梁方案，目前這種革新的加勁梁方案就是分離式閉口箱梁，在分離的箱梁間通過(guò)橫梁連接成整體。分離式加勁梁設(shè)計(jì)實(shí)際上正是加勁梁中心開(kāi)槽思想的拓展，即通過(guò)分離箱梁間的開(kāi)放空間增加透風(fēng)率，減小加勁梁頂?shù)酌娴目諝鈮毫Σ顝亩黾託鈴椃€(wěn)定性。同時(shí)這一方案保持了傳統(tǒng)閉口箱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如空氣阻力系數(shù)小、渦振性能好等。有關(guān)的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明這種方案是相當(dāng)有效的，當(dāng)然其造價(jià)的大幅增加也是在方案比選中需要認(rèn)真考慮的。此外也有建議采用閉口橢圓形加勁梁方案【2】2．主動(dòng)控制面控制面是在加勁梁斷面的迎風(fēng)、背風(fēng)邊緣安裝的薄平板。當(dāng)加勁梁在氣流作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，利用作用在控制面上的氣動(dòng)力來(lái)達(dá)到抑制顫振，提高顫振臨界風(fēng)速的效果。根據(jù)控制原理的不同又可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩類。控制面的主動(dòng)控制措施[11～13]是在加勁梁的迎風(fēng)、背風(fēng)邊緣安裝上控制面，這些控制面完全與加勁梁分離以避免造成二者之間的氣動(dòng)干擾，通過(guò)合理地反饋控制利用主動(dòng)輸入的能量調(diào)整控制面運(yùn)動(dòng)的振幅和相位，以產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)起穩(wěn)定作用的氣動(dòng)力來(lái)達(dá)到抑制顫振發(fā)生的作用。反饋控制的原理可采用線性優(yōu)化輸出反饋控制理論，具體到顫振控制時(shí)常簡(jiǎn)化為最小能量控制理論[14]。在應(yīng)用控制面進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)要注意：(1)背風(fēng)面的控制面所消耗的能量要多于迎風(fēng)面，這是因?yàn)樵谡駝?dòng)過(guò)程中斷面的扭轉(zhuǎn)中心將向迎風(fēng)面移動(dòng)。(2）在確定了需安裝控制面的總長(zhǎng)度后，無(wú)論是采用一整塊控制面還是采用相同總長(zhǎng)的多塊控制面，其控制效果相差不大。安裝一整塊控制面所需的能耗低些，而采用多塊控制面的好處在于當(dāng)其中一塊或幾塊停止工作時(shí)其對(duì)顫振的控制作用不會(huì)下降大多，這在實(shí)際應(yīng)用中也是非常必要的.控制面主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是幾乎可對(duì)任意風(fēng)速都能進(jìn)行反饋控制抑制顫振發(fā)生。主動(dòng)控制的缺點(diǎn)是需要致動(dòng)器、傳感器、控制設(shè)備和外部能量輸入等較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。此外采用主動(dòng)控制措施需要兩到三個(gè)并行的工作控制系統(tǒng)以保證其可靠性，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的失靈很可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的毀壞。3．被動(dòng)控制面采用控制面進(jìn)行被動(dòng)控制［7］[15~17]的方法雖然不像主動(dòng)方法那樣可對(duì)任意風(fēng)速都能解決顫振問(wèn)題，但顯然更為簡(jiǎn)便、可靠，易于為橋梁工程師所接受?？刂泼姹粍?dòng)控制的一種方法是將控制面同加勁梁直接相連，使加勁梁周圍的統(tǒng)流模式發(fā)生改變，這樣不僅可從作用在控制面上的氣動(dòng)力還可以從加勁梁本身氣動(dòng)力的改變中獲得有利于氣動(dòng)穩(wěn)定的作用。餃接在加勁梁斷面邊緣的控制面通過(guò)附加索連接到架設(shè)于二主纜間的支撐梁上，同時(shí)又由預(yù)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)彈簧同加勁梁相連，這樣當(dāng)加勁梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)控制面就可在附加索和預(yù)應(yīng)力彈簧的共同作用下發(fā)生被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到提高系統(tǒng)氣動(dòng)穩(wěn)定性的作用。節(jié)段模型分析表明最適宜的控制面寬度約為，橋梁臨界風(fēng)速最大可提高30％，然而這一系統(tǒng)對(duì)控制橋梁靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散沒(méi)有作用。被動(dòng)控制的另一種方法是在加勁梁重心處懸掛擺，布置在加勁梁迎風(fēng)背風(fēng)邊緣的控制面都通過(guò)連接索連接到擺上。當(dāng)加勁梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，重心擺將發(fā)生相對(duì)加勁梁的擺動(dòng)，從而帶動(dòng)控制面運(yùn)動(dòng)，以獲得適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定氣動(dòng)力達(dá)到抑制顫振的目的。在對(duì)這種控制方法的分析中考慮了兩種模式：其一是加勁梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)將引起迎風(fēng)、背風(fēng)緣的控制面作異相轉(zhuǎn)動(dòng)，即迎風(fēng)面控制面作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)背風(fēng)面控制面作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；其二是加勁梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的迎風(fēng)、背風(fēng)緣控制面作同相轉(zhuǎn)動(dòng)。三維顫振分析結(jié)果表明模式一有效地穩(wěn)定了第一階扭轉(zhuǎn)振型，但不提高靜力發(fā)散風(fēng)速；模式二則在防止了系統(tǒng)靜力發(fā)散的同時(shí)將顫振臨界風(fēng)速提高了20％。分析還顯示控制面的最有效布置位置在主跨的跨中點(diǎn)，長(zhǎng)度約為30％的跨長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果同分析結(jié)果達(dá)到了較好的一致性。對(duì)模式一所做的兩維模型分析表明在應(yīng)用重心擺進(jìn)行控制面被控制時(shí)重心擺的主要參數(shù)可以有兩種選擇：一是所用擺質(zhì)量大、周期長(zhǎng)、阻尼大，這樣加勁梁的運(yùn)動(dòng)將不引起擺的運(yùn)動(dòng)，控制面的運(yùn)動(dòng)將同加勁梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)成正比，臨界風(fēng)速可提高43％；二是所用擺質(zhì)量小，周期短，并采用較低的系統(tǒng)增益，這樣擺的運(yùn)動(dòng)將大幅參與到系統(tǒng)的顫振模態(tài)中，臨界風(fēng)速最大可提高57％。節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)系統(tǒng)增益在0～之間時(shí)，分析結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，當(dāng)增益大于1時(shí)，兩者偏差較大，這說(shuō)明分析中獨(dú)立計(jì)算加勁梁和控制面上的空氣力而未考慮耦合效果的簡(jiǎn)化僅適用于小幅振動(dòng)的情況。五、結(jié)語(yǔ)本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有提高大跨度懸索橋顫振穩(wěn)定性的方法進(jìn)行評(píng)述的基礎(chǔ)上，將懸索橋顫振控制方法歸納為三大類，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。其中，提高系統(tǒng)整體剛度主要通過(guò)設(shè)置水平輔助索和橫向輔助索來(lái)增強(qiáng)主纜的剛度，從