大跨桥梁的抗风对策

　　江阴长江大桥正式建成通车标志着中国有了第一座超千米的悬索桥，同时也成为世界上能够建造千米级大桥的第六个国家。自从80年代初中国改革开放以来，中国已建成了一百余座各种类型的斜拉桥，成为世界上建造斜拉桥最多的国家。如果把即将于2001年建成的南京长江二桥和福州闽江大桥统计在内，在跨度超过500m的世界斜拉桥中中国的斜拉桥已占有十分重要的地位。1996年我国人民交通出版社出版了我国第一部由同济大学和中交公路规划设计院编写的《公路桥梁抗风设计指南》，几年来已被广泛用于多座大路桥梁的抗风设计中。在此基础上，受交通部的委托，同济大学、中交公路规划设计院、中央气象研究院以及西安公路交通大学针对其中的几个关键问题进行了专题研究，为形成最终的《公路桥梁抗风设计规范》奠定了基础。这几个专题的内容以及通过多次修改形成的报批稿的目录如表1所示。本文将主要介绍该规范编制中的几个主要问题，其中包括基本风速的确定、风荷载的表达方式、桥梁动力稳定性检验和风洞试验要求等

　　全国基本风速图和风压图

　　基本风速定义为桥梁所在地区的开阔平坦地貌条件下，地面以上10m高度处，100年重现期的10min平均年最大风速。

　　本次规范编制，采用我国657个基本台站1961年至1995年间自己记录的风速资料，以极值I型分布曲线进行拟合，将基准高度从原来的20m高改为10m高，并考虑100年重现期，得到相应各气象台站百年一遇的最大风速值。鉴于目前我国有相当多的气象台站，由于近年来城市建设的快速发展，使得台站环境不能满足空旷无遮挡的要求，致使风速记录明显受人为因素的影响而偏小。本次研究，对其部分计算结果参照周围台站的情况予以适当的修正。与此同时，参照国内其他的规范确定基本风压的下限值100年一遇为0.35kN／m2，50年一遇为0.30kN／m2，10年一遇为0.20kN／m2，相应的基本风速下限分别为24m/s，22m/s和18m／s.全国基本风压图和风速图有如下特点：

　　1.东南沿海为我国大陆上的最大风压区。风压等值线大致与海岸平行，风压从沿海向内陆递减很快，到达离海岸50km处的风速约为海边风速的75％，到100km处则仅为50％左右，这和造成这一地区大风的主要天气系统——台风有关。在这一区域内，大致有三个特大风压带，即湛江以南至海南沿海地区、广东沿海地区以及浙江到福建省中部沿海地带，百年一遇风压在0.90kN／m2（38m/s）以上。由于台湾岛对台风屏障作用，福建南部的风压有所减弱。

　　2.西北至华北北部和东北中部为我国大陆上风压的次大区。这一地区的大风主要与西伯利亚寒流引起强冷空气活动有关，等风压线梯度由北向南递减。

　　3.青藏高原为风压较大区。这一地区大风主要是因海拔高度较高所造成的。但该区空气密度较小，因此，虽然风速很大，但所形成的风压相对较小。从风压图和风速图的对比中可以反映出这一特点。

　　4.云贵高原、长江中游以及南丘陵山区风压较小，特别是在四川中部、贵州、湘西和鄂西为我国风压最小的区域。大部分地区风压在0.4kN/m2（25m／s）以下。

　　5.台湾、海南岛和南海诸岛的风压各自独立成区，台湾是我国风压最大的地区。据分析，其东部沿海风压可达175KN/m2（52m／s）以上；海南岛的西、北、东部沿海风压约为0.9kN/m2（40m／s）。西沙群岛受南海台风的影响，百年一遇风压达1.80kN/m2（54m／s）。南海其余诸岛的风压略小于西沙。

　　新版风压分布图在总体上没有改变原全国风压分布的总格局，有降低的，也有提高的，但应该说更趋合理。且此次计算台站数大大超过以往任何一次的分析，资料年限一般均达到30～35年，代表了当前气候背景值。

　　对重要的大跨径桥梁，宜设立临时桥址风速观测站，观测时段不宜少于1年。由所获得的短期风速资料推求年极值风速，并据此建立与附近气象台站的相关关系。

　　风荷载

　　桥梁是处于大气边界层内的结构物，由于受到地理位置、地形条件、地面粗糙程度、离地面（或水面）高度、外部温度变化等诸多因素的影响，作用于桥梁结构上的风荷载是随时间和空间不断变化的。从工程抗风设计的角度考虑，可以把自然风分解为不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风的叠加，分别确定它们对桥梁结构的作用。

　　对于桥梁结构来说，风荷载一般由三部分组成：一是平均风的作用；二是脉动风背景作用；三是由脉动风诱发结构抖振而产生的惯性力作用，它是脉动风谱和结构频率相近部分发生的共振响应。在本规范中将平均风作用和脉动风的背景作用两部分合并，总的响应和平均风响应之比称为等效静阵风系数Gv，它是和地面粗糙程度、离地面（或水面）高度以及水平加载长度相关的系数。

　　为了便于理解新规范中有关风荷载的条文，我们列出了国内外规范中有关风荷载的规定，供参考。

　　1.在我国1987年的设计规范中，定义横向设计风压为：该公式仅仅考虑了平均风的静力作用，没有考虑脉动风的背景响应和结构的振动惯性力的影响，是偏于不安全的。

　　2.日本《道路桥抗风设计便览》适用于跨径小于200m的桥梁。其设计风速和设计风荷载定义为：其中：ρ为空气密度；E1为高度及地表粗糙度修正系数；CD为桥面阻力系数；An为桥梁顺风向投影面积；G=1、9，为阵风响应系数，是一个常数。

　　在上式中，引入了阵风响应系数，体现了风的紊流成分的影响，但没有考虑风的空间相关，跨径小平200的桥梁是可以适用的。

　　3.在日本《本州四国联络桥抗风设计指南》中，大跨度桥梁的设计风速和设计风荷载分别表达为：其中：ν1为高度修正系数；ν2为水平长度阵风修正系数；ν4司为动力效应风载修正系数；其余参数意义同上。该式反映了因考虑风的水平相关使风荷载的脉动影响随跨长增加的折减效应。

　　4.英国BS5400规范也采用等效静阵风荷载的概念，设计风速取为最大阵风风速，其风速与设计风荷载分别表达为：其中：K1为重现期系数；S1为穿谷系数；S2为阵风系数，该系数考虑了水平长度折减。

　　5.在本次编写的抗风规范中，对横桥向风作用下顺风向的风荷载，将作用在桥墩（塔）、主缆、斜拉索上的风荷载和作用在主梁上的风荷载分开处理。除主梁外，作用在桥梁各构件单位长度上的风荷载可根据各构件不同基准高度L的等效静阵风荷载按下式计算：作用在主梁上的横桥向风荷载，除考虑等效静阵风荷载外，还应考虑由于抖振响应引起的惯性荷载，横向力可按下式计算：式中：PH为横向力（N／m）；CH为主梁体轴下横向力系数；D为主梁的高度（m）。Pd为因抖振所产生的结构惯性动力风荷载；当桥梁跨径小于200m时，可忽略因抖振所产生的结构惯性动力风荷载；对于跨径大于200m的桥梁，若判定其对风的动力作用敏感，则应通过风洞试验取得必要的参数，然后由抖振分析得到结构惯性动力风荷载。

　　跨径小于200m的桥梁可以下考虑竖向和扭转力矩的作用。跨径大于200m的桥梁，特别是悬臂施工中的大跨桥梁的竖向力和扭转力矩宜根据风洞试验和详细的抖振响应分析得到。

　　颤振稳定性和静风稳定性大跨度桥梁在风荷载的静力作用下有可能发生因计力矩过大而发生扭转发散，或因顺风向的阻力过大而引起横向屈曲这两种静力失稳。桥梁在风的作用下还有可能发生一种自激振动，风的能量的不断输入使振幅逐渐加大。根据断面的不同形状，这种发散性的振动可以是弯曲型的驰振、扭转型的颤振或弯扭耦合型的颤振，统称为动力失稳。静力先稳和动力失稳的临界风速的较低者将控制大跨度桥梁的抗风安全。

　　静力失稳和动力先稳两者都是危险性的，都必须在桥梁设计时加以避免。此次规范除对颤振稳定性和驰振稳定性作了规定外，还对桥梁的横向静力稳定性和静力扭转发散作了规定。本文将主要介绍有关颤振稳定性检算的方法。

　　桥梁的颤振检验风速按下式确定：式中：[Vcr]为颤振检验风速（m／s）；Vd为设计基准风速（m/s）；K为考虑风洞试验误差及设计、施工中不确定因素的综合安全系数，一般可取K=1.2.μf为考虑风速脉动影响及水平相关特性的无量纲修正系数，根据不同的地表粗糙类别，按表3取值：在风攻角-3≤α≤＋范围内，颤振临界风速必须满足以下准则；Vcr≥[Vcr]（13）

　　式中：Vcr为桥梁颤振临界风速（m／s）。

　　本条文采用的颤振检验风速的表达式和日本《本州四国联络桥抗风设计指南》以及日本的一些其他桥梁的抗风设计指南在形式上是一样的。由于采用的风谱以及地表粗糙度值有所不同，日本《本州四国联络桥抗风设计指南》给出的颤振检验风速修正系数μf的取值比本条文要稍微小一些，但日本的设计基准风速的重现或为150年，其总体的结果与本条文接近。

　　英国BS5400E规范采用在00风攻角时的检验风速基于为120年1min的最大风速值（与10min间的时距系数为对Ⅰ类地貌为1.1），其分项安全系数为：νfl＝1.38，νm＝1.05，νf3=1.1.在±2……50，折减系数为0.8.丹麦大海带桥规定的动力稳定性检验风速采用失效概率为Pf＜10-7的基准，从而得到在±30攻角范围内的颤振检验风速为1.5Ud.表4给出了按不同设计指南或规范所得到的镇江扬州长江公路大桥南汊悬索桥的颤振检验风速值。可以看出按中国抗风设计规范约高于日本《本四指南》，但低于丹麦大海带桥和英国规范的要求。

　　对于跨径大于200m的桥梁，本规范还提出一个颤振稳定性验算的分级规定，即按下式计算颤振稳定性指数If，并根据If所在的范围按表5进行不同要求的颤振稳定性验算。 （14）

　　式中：ft为一阶扭转频率（Hz）；B为桥面全宽（m）。

　　对于跨径大于200m的桥梁，当其颤振稳定性指数If＜2.5时，可按下式十分简便地计算其颤振临界风速：

　　施工阶段的抗风对策在大跨度斜拉桥或悬索桥的施工阶段中，结构体系处于不断转换区尚未成型，可能会出现比成桥后更为不利的状态：即刚度较小，变形较大，稳定性较差，甚至发生较大的风致振动响应的情况，其中稳定性问题也十分突出。

　　一般说来，大跨斜拉桥在最大双悬臂状态和最大单悬臂状态的颤振稳定性比成桥状态要好。在最大双悬臂状态，主要会发生围绕桥塔的桥平面外的水平摆动以及平面内的竖向"翘翘板"振动，在桥塔中产生较大的内力，设置辅助墩或采用临时墩来减小悬臂长度是常用的方法；在最大单悬臂状态，强风作用下主梁的侧向和竖向抖振产生的惯性力较大，若振动不能接受，可以通过设置阻尼器以及临时风缆等方法来抑制振动。

　　悬索桥在安装初期的结构抗扭刚度主要由主缆提供，其扭转频率随主梁拼装长度的增加而增加。分析和风洞试验表明，当桥面拼装车在10％～40％之间为最不利的状态，存在一个抗风稳定性的低谷，大跨度悬索桥主梁拼装的抗风低谷应避开大风期。若不能避开，可采用不对称施工方法，即不从中央对称拼装，而是偏高中央一定距离开始拼装主梁，待达到一定长度后再进行对称施工，风洞试验表明该方法可以有效地提高颤振稳定性。

　　大跨桥梁的抗风设计对策大桥工程的挑战性主要表现在团跨度的超大化所带来的结构非线性航风稳定性、施工控制、拉索振动控制，超高桥塔的抗震，以及50m以上的超深水基础和软土锚碇等难题。

　　江阴长江大桥和南京长江二桥的建成提供了建造大跨度桥梁的实践经验，使我们树立了自主建设更大跨度的桥梁的信心，但面对超深水基础，千米以上的斜拉桥和2000m以上的悬索桥，我们必须做好充分的技术准备，迎接巨型工程的挑战。

　　从大桥抗风研究的角度看，对于千米级的斜拉桥如采用斜索面和流线形扁平箱梁的布置已能提供100m/s以上的临界风速，在东南沿海包括香港在内的所有地区都能满足成桥后抗风要求。主要是注意通过临时措施解决施工阶段的抗风问题。

　　对于刚度相对较小的悬索桥，必须认真地考虑各种改善气动性能的导流措施以便同时解决颤振、涡振，斜振等各类风致振动问题。1500rn以上跨度的悬索桥可能还要考虑采用中央开槽的分离箱断面以及增加交叉索形成空间索网等措施以提高结构的刚度和气动性能，满足抗风要求。这也是发达国家为解决世界跨海工程的抗风能力正在研究而尚未实践的课题。如主跨3300m的意大利墨西拿海峡大桥，日本第二国主轴线上主跨2500m的跨海大桥，跨越直布罗陀海峡的多跨3000m的连续悬索桥方案以及印度尼西亚跨海峡的2300m协作体系方案等。