《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》概要及大跨橋梁的抗風(fēng)對策

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》概要及大跨橋梁的抗風(fēng)對策摘要：隨著我國橋梁工程的不斷發(fā)展，迫切需要編制適合我國國情的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》。本文介紹了該規(guī)范編制中的幾個主要問題，其中包括基本風(fēng)速圖和風(fēng)壓圖、風(fēng)荷載的表達方式、橋梁動力穩(wěn)定性檢驗和風(fēng)洞試驗要求等，此外，還討論了大跨橋梁成橋和施工階段的各種抗風(fēng)對策。關(guān)鍵詞：橋梁抗風(fēng)、設(shè)計規(guī)范0.前言1999年10月，江陰長江大橋正式建成通車標(biāo)志著中國有了第一座超千米的懸索橋，同時也成為世界上能夠建造千米級大橋的第六個國家。自從80年代初中國改革開放以來，中國已建成了一百余座各種類型的斜拉橋，成為世界上建造斜拉橋最多的國家。如果把即將于2001年建成的南京長江二橋和福州閩江大橋統(tǒng)計在內(nèi)，在跨度超過500m的世界斜拉橋中中國的斜拉橋已占有十分重要的地位。1996年我國人民交通出版社出版了我國第一部由同濟大學(xué)和中交公路規(guī)劃設(shè)計院編寫的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》，幾年來已被廣泛用于多座大路橋梁的抗風(fēng)設(shè)計中。在此基礎(chǔ)上，受交通部的委托，同濟大學(xué)、中交公路規(guī)劃設(shè)計院、中央氣象研究院以及西安公路交通大學(xué)針對其中的幾個關(guān)鍵問題進行了專題研究，為形成最終的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》奠定了基礎(chǔ)。這幾個專題的內(nèi)容以及通過多次修改形成的報批稿的目錄如表1所示。本文將主要介紹該規(guī)范編制中的幾個主要問題，其中包括基本風(fēng)速的確定、風(fēng)荷載的表達方式、橋梁動力穩(wěn)定性檢驗和風(fēng)洞試驗要求等二、全國基本風(fēng)速圖和風(fēng)壓圖基本風(fēng)速定義為橋梁所在地區(qū)的開闊平坦地貌條件下，地面以上10m高度處，100年重現(xiàn)期的10min平均年最大風(fēng)速。本次規(guī)范編制，采用我國657個基本臺站1961年至1995年間自己記錄的風(fēng)速資料，以極值I型分布曲線進行擬合，將基準(zhǔn)高度從原來的20m高改為10m高，并考慮100年重現(xiàn)期，得到相應(yīng)各氣象臺站百年一遇的最大風(fēng)速值。鑒于目前我國有相當(dāng)多的氣象臺站，由于近年來城市建設(shè)的快速發(fā)展，使得臺站環(huán)境不能滿足空曠無遮擋的要求，致使風(fēng)速記錄明顯受人為因素的影響而偏小。本次研究，對其部分計算結(jié)果參照周圍臺站的情況予以適當(dāng)?shù)男拚Ｅc此同時，參照國內(nèi)其他的規(guī)范確定基本風(fēng)壓的下限值100年一遇為0.35kN／m2，50年一遇為0.30kN／m2，10年一遇為0.20kN／m2，相應(yīng)的基本風(fēng)速下限分別為24m/s,22m/s和18m/s。全國基本風(fēng)壓圖和風(fēng)速圖有如下特點：東南沿海為我國大陸上的最大風(fēng)壓區(qū)。風(fēng)壓等值線大致與海岸平行，風(fēng)壓從沿海向內(nèi)陸遞減很快，到達離海岸50km處的風(fēng)速約為海邊風(fēng)速的75％，到100km處則僅為50％左右，這和造成這一地區(qū)大風(fēng)的主要天氣系統(tǒng)--臺風(fēng)有關(guān)。在這一區(qū)域內(nèi)，大致有三個特大風(fēng)壓帶，即湛江以南至海南沿海地區(qū)、廣東沿海地區(qū)以及浙江到福建省中部沿海地帶，百年一遇風(fēng)壓在0.90kN/m2(38m/s)以上。由于臺灣島對臺風(fēng)屏障作用，福建南部的風(fēng)壓有所減弱。西北至華北北部和東北中部為我國大陸上風(fēng)壓的次大區(qū)。這一地區(qū)的大風(fēng)主要與西伯利亞寒流引起強冷空氣活動有關(guān)，等風(fēng)壓線梯度由北向南遞減。青藏高原為風(fēng)壓較大區(qū)。這一地區(qū)大風(fēng)主要是因海拔高度較高所造成的。但該區(qū)空氣密度較小，因此，雖然風(fēng)速很大，但所形成的風(fēng)壓相對較小。從風(fēng)壓圖和風(fēng)速圖的對比中可以反映出這一特點。云貴高原、長江中游以及南丘陵山區(qū)風(fēng)壓較小，特別是在四川中部、貴州、湘西和鄂西為我國風(fēng)壓最小的區(qū)域。大部分地區(qū)風(fēng)壓在0.4kN/m2 (25m/s)以下。臺灣、海南島和南海諸島的風(fēng)壓各自獨立成區(qū)，臺灣是我國風(fēng)壓最大的地區(qū)。據(jù)分析 ,其東部沿海風(fēng)壓可達175KN/m2 （52m/s）以上；海南島的西、北、東部沿海風(fēng)壓約為 0.9kN/m2 （40m/s）。西沙群島受南海臺風(fēng)的影響，百年一遇風(fēng)壓達 1.80kN/m2 （54m/s）。南海其余諸島的風(fēng)壓略小于西沙。新版風(fēng)壓分布圖在總體上沒有改變原全國風(fēng)壓分布的總格局，有降低的，也有提高的，但應(yīng)該說更趨合理．且此次計算臺站數(shù)大大超過以往任何一次的分析， 資料年限一般均達到30?35年，代表了當(dāng)前氣候背景值。對重要的大跨徑橋梁，宜設(shè)立臨時橋址風(fēng)速觀測站，觀測時段不宜少于 1年。由所獲得的短期風(fēng)速資料推求年極值風(fēng)速，并據(jù)此建立與附近氣象臺站的相關(guān)關(guān)系。三、風(fēng)荷載橋梁是處于大氣邊界層內(nèi)的結(jié)構(gòu)物，由于受到地理位置、地形條件、地面粗糙程度、離地面（或水面）高度、外部溫度變化等諸多因素的影響，作用于橋梁結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載是隨時間和空間不斷變化的。從工程抗風(fēng)設(shè)計的角度考慮，可以把自然風(fēng)分解為不隨時間變化的平均風(fēng)和隨時間變化的脈動風(fēng)的疊加，分別確定它們對橋梁結(jié)構(gòu)的作用。對于橋梁結(jié)構(gòu)來說，風(fēng)荷載一般由三部分組成：一是平均風(fēng)的作用；二是脈動風(fēng)背景作用；三是由脈動風(fēng)誘發(fā)結(jié)構(gòu)抖振而產(chǎn)生的慣性力作用，它是脈動風(fēng)譜和結(jié)構(gòu)頻率相近部分發(fā)生的共振響應(yīng)。在本規(guī)范中將平均風(fēng)作用和脈動風(fēng)的背景作用兩部分合并，總的響應(yīng)和平均風(fēng)響應(yīng)之比稱為等效靜陣風(fēng)系數(shù)Gv，它是和地面粗糙程度、離地面（或水面）高度以及水平加載長度相關(guān)的系數(shù)。為了便于理解新規(guī)范中有關(guān)風(fēng)荷載的條文，我們列出了國內(nèi)外規(guī)范中有關(guān)風(fēng)荷載的規(guī)定，供參考。在我國1987年的設(shè)計規(guī)范中，定義橫向設(shè)計風(fēng)壓為：該公式僅僅考慮了平均風(fēng)的靜力作用，沒有考慮脈動風(fēng)的背景響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的振動慣性力的影響，是偏于不安全的。日本《道路橋抗風(fēng)設(shè)計便覽》適用于跨徑小于200m的橋梁。其設(shè)計風(fēng)速和設(shè)計風(fēng)荷載定義為：其中：p為空氣密度；E1為高度及地表粗糙度修正系數(shù)； CD為橋面阻力系數(shù)；An為橋梁順風(fēng)向投影面積；G=1、9，為陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)，是一個常數(shù)。在上式中，引入了陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)，體現(xiàn)了風(fēng)的紊流成分的影響，但沒有考慮風(fēng)的空間相關(guān)，跨徑小平 200的橋梁是可以適用的。在日本《本州四國聯(lián)絡(luò)橋抗風(fēng)設(shè)計指南》中，大跨度橋梁的設(shè)計風(fēng)速和設(shè)計風(fēng)荷載分別表達為：其中：v1為高度修正系數(shù)；v2為水平長度陣風(fēng)修正系數(shù)； v4司為動力效應(yīng)風(fēng)載修正系數(shù)；其余參數(shù)意義同上。該式反映了因考慮風(fēng)的水平相關(guān)使風(fēng)荷載的脈動影響隨跨長增加的折減效應(yīng)。英國BS5400規(guī)范也采用等效靜陣風(fēng)荷載的概念，設(shè)計風(fēng)速取為最大陣風(fēng)風(fēng)速，其風(fēng)速與設(shè)計風(fēng)荷載分別表達為：其中：K1為重現(xiàn)期系數(shù)；S1為穿谷系數(shù)；S2為陣風(fēng)系數(shù)，該系數(shù)考慮了水平長度折減。在本次編寫的抗風(fēng)規(guī)范中，對橫橋向風(fēng)作用下順風(fēng)向的風(fēng)荷載，將作用在橋墩（塔） 、主纜、斜拉索上的風(fēng)荷載和作用在主梁上的風(fēng)荷載分開處理。除主梁外，作用在橋梁各構(gòu)件單位長度上的風(fēng)荷載可根據(jù)各構(gòu)件不同基準(zhǔn)高度L的等效靜陣風(fēng)荷載按下式計算：作用在主梁上的橫橋向風(fēng)荷載，除考慮等效靜陣風(fēng)荷載外，還應(yīng)考慮由于抖振響應(yīng)引起的慣性荷載，橫向力可按下式計算：式中：PH為橫向力（N／m）；CH為主梁體軸下橫向力系數(shù)；D為主梁的高度（m）。Pd為因抖振所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)慣性動力風(fēng)荷載；當(dāng)橋梁跨徑小于200m時，可忽略因抖振所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)慣性動力風(fēng)荷載；對于跨徑大于200m的橋梁，若判定其對風(fēng)的動力作用敏感，則應(yīng)通過風(fēng)洞試驗取得必要的參數(shù)，然后由抖振分析得到結(jié)構(gòu)慣性動力風(fēng)荷載。跨徑小于200m的橋梁可以下考慮豎向和扭轉(zhuǎn)力矩的作用?？鐝酱笥?00m的橋梁，特別是懸臂施工中的大跨橋梁的豎向力和扭轉(zhuǎn)力矩宜根據(jù)風(fēng)洞試驗和詳細的抖振響應(yīng)分析得到。四、顫振穩(wěn)定性和靜風(fēng)穩(wěn)定性大跨度橋梁在風(fēng)荷載的靜力作用下有可能發(fā)生因計力矩過大而發(fā)生扭轉(zhuǎn)發(fā)散，或因順風(fēng)向的阻力過大而引起橫向屈曲這兩種靜力失穩(wěn)。橋梁在風(fēng)的作用下還有可能發(fā)生一種自激振動，風(fēng)的能量的不斷輸入使振幅逐漸加大。根據(jù)斷面的不同形狀，這種發(fā)散性的振動可以是彎曲型的馳振、扭轉(zhuǎn)型的顫振或彎扭耦合型的顫振，統(tǒng)稱為動力失穩(wěn)。靜力先穩(wěn)和動力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速的較低者將控制大跨度橋梁的抗風(fēng)安全。靜力失穩(wěn)和動力先穩(wěn)兩者都是危險性的，都必須在橋梁設(shè)計時加以避免。此次規(guī)范除對顫振穩(wěn)定性和馳振穩(wěn)定性作了規(guī)定外，還對橋梁的橫向靜力穩(wěn)定性和靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散作了規(guī)定。本文將主要介紹有關(guān)顫振穩(wěn)定性檢算的方法。橋梁的顫振檢驗風(fēng)速按下式確定：式中：[Vcr]為顫振檢驗風(fēng)速（m／s）；Vd為設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）；K為考慮風(fēng)洞試驗誤差及設(shè)計、施工中不確定因素的綜合安全系數(shù)，一般可取 K=1.2。卩f為考慮風(fēng)速脈動影響及水平相關(guān)特性的無量綱修正系數(shù)，根據(jù)不同的地表粗糙類別，按表3取值：在風(fēng)攻角-3<aW+范圍內(nèi)，顫振臨界風(fēng)速必須滿足以下準(zhǔn)則；Ver>[Vcr]（13）式中：Vcr為橋梁顫振臨界風(fēng)速（m／s）。本條文采用的顫振檢驗風(fēng)速的表達式和日本《本州四國聯(lián)絡(luò)橋抗風(fēng)設(shè)計指南》以及日本的一些其他橋梁的抗風(fēng)設(shè)計指南在形式上是一樣的。由于采用的風(fēng)譜以及地表粗糙度值有所不同，日本《本州四國聯(lián)絡(luò)橋抗風(fēng)設(shè)計指南》給出的顫振檢驗風(fēng)速修正系數(shù) 卩f的取值比本條文要稍微小一些， 但日本的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速的重現(xiàn)或為150年，其總體的結(jié)果與本條文接近。英國BS5400E規(guī)范采用在00風(fēng)攻角時的檢驗風(fēng)速基于為120年1min的最大風(fēng)速值（與10min間的時距系數(shù)為對I類地貌為1.1），其分項安全系數(shù)為：Vfl=1.38,Vm=1.05,Vf3=1.1。在土2..50，折減系數(shù)為0.8。丹麥大海帶橋規(guī)定的動力穩(wěn)定性檢驗風(fēng)速采用失效概率為 Pfv10-7的基準(zhǔn)，從而得到在土30攻角范圍內(nèi)的顫振檢驗風(fēng)速為1.5Ud。表4給出了按不同設(shè)計指南或規(guī)范所得到的鎮(zhèn)江揚州長江公路大橋南汊懸索橋的顫振檢驗風(fēng)速值?？梢钥闯霭粗袊癸L(fēng)設(shè)計規(guī)范約高于日本《本四指南》，但低于丹麥大海帶橋和英國規(guī)范的要求。對于跨徑大于200m的橋梁，本規(guī)范還提出一個顫振穩(wěn)定性驗算的分級規(guī)定，即按下式計算顫振穩(wěn)定性指數(shù)If，并根據(jù)If所在的范圍按表5進行不同要求的顫振穩(wěn)定性驗算。（14）式中：ft為一階扭轉(zhuǎn)頻率（Hz）；B為橋面全寬（m）。對于跨徑大于200m的橋梁，當(dāng)其顫振穩(wěn)定性指數(shù)Ifv2.5時，可按下式十分簡便地計算其顫振臨界風(fēng)速：五、施工階段的抗風(fēng)對策在大跨度斜拉橋或懸索橋的施工階段中，結(jié)構(gòu)體系處于不斷轉(zhuǎn)換區(qū)尚未成型，可能會出現(xiàn)比成橋后更為不利的狀態(tài)：即剛度較小，變形較大，穩(wěn)定性較差，甚至發(fā)生較大的風(fēng)致振動響應(yīng)的情況，其中穩(wěn)定性問題也十分突出。一般說來，大跨斜拉橋在最大雙懸臂狀態(tài)和最大單懸臂狀態(tài)的顫振穩(wěn)定性比成橋狀態(tài)要好。在最大雙懸臂狀態(tài)，主要會發(fā)生圍繞橋塔的橋平面外的水平擺動以及平面內(nèi)的豎向 "翹翹板"振動，在橋塔中產(chǎn)生較大的內(nèi)力，設(shè)置輔助墩或采用臨時墩來減小懸臂長度是常用的方法；在最大單懸臂狀態(tài)，強風(fēng)作用下主梁的側(cè)向和豎向抖振產(chǎn)生的慣性力較大，若振動不能接受，可以通過設(shè)置阻尼器以及臨時風(fēng)纜等方法來抑制振動。懸索橋在安裝初期的結(jié)構(gòu)抗扭剛度主要由主纜提供，其扭轉(zhuǎn)頻率隨主梁拼裝長度的增加而增加。分析和風(fēng)洞試驗表明，當(dāng)橋面拼裝車在 10%?40%之間為最不利的狀態(tài)，存在一個抗風(fēng)穩(wěn)定性的低谷，大跨度懸索橋主梁拼裝的抗風(fēng)低谷應(yīng)避開大風(fēng)期。若不能避開，可采用不對稱施工方法，即不從中央對稱拼裝，而是偏高中央一定距離開始拼裝主梁，待達到一定長度后再進行對稱施工，風(fēng)洞試驗表明該方法可以有效地提高顫振穩(wěn)定性。六、大跨橋梁的抗風(fēng)設(shè)計對策大橋工程的挑戰(zhàn)性主要表現(xiàn)在團跨度的超大化所帶來的結(jié)構(gòu)非線性航風(fēng)穩(wěn)定性、 施工控制、拉索振動控制，超高橋塔的抗震，以及50m以上的超深水基礎(chǔ)和軟土錨碇等難題。江陰長江大橋和南京長江二橋的建成提供了建造大跨度橋梁的實踐經(jīng)驗，使我們樹立了自主建設(shè)更大跨度的橋梁的信心，但面對超深水基礎(chǔ)，千米以上的斜拉橋和2000m以上的懸索橋，我們必須做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備，迎接巨型工程的挑戰(zhàn)。從大橋抗風(fēng)研究的角度看，對于千米級的斜拉橋如采用斜索面和流線形扁平箱梁的布置已能提供100m/s以上的臨界風(fēng)速，在東南沿海包括香港在內(nèi)的所有地區(qū)都能滿足成橋后抗風(fēng)要求。主要是注意通過臨時措施解決施工階段的抗風(fēng)問題。對于剛度相對較小的懸索橋，必須認(rèn)真地考慮各種改善氣動性能的導(dǎo)流措施以便同時解決顫振、渦振，斜振等各類風(fēng)致振動問題。1500rn以上跨度的懸索橋可能還要考慮采用中央開槽的分離箱斷面以及增加交叉索形成空間索網(wǎng)等措施以提高結(jié)構(gòu)的剛度和氣動性能，滿足抗風(fēng)要求。這也是發(fā)達國家為解決世界跨海工程的抗風(fēng)能力正在研究而尚未實踐的課題。如主跨3300m的意大利墨西拿海峽大橋，日本第二國主軸線上主跨2500m的跨海大橋，跨越直布羅陀海峽的多跨3000m的連續(xù)懸索橋方案以及印度尼西亞跨海峽的2300m協(xié)作體系方案等。七．結(jié)語我國近年來在橋梁工程方面取得了全世界矚目的發(fā)展，同時也為橋梁抗風(fēng)的研究提供了機會。在總結(jié)全國幾十座大跨橋梁的抗風(fēng)研究基礎(chǔ)上，我們編制了我國第一部《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范的問世將為橋梁工程師在橋梁抗風(fēng)設(shè)計方面提供依據(jù)。我們真誠希望橋梁工程師在使用該規(guī)范中發(fā)現(xiàn)的問題隨時反饋給編寫部門，并給研究部門提供更多的合作機會進行大跨橋梁方面的抗風(fēng)研究，以便積