改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的实践和探索

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1、改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的实践和探索摘要：改善抗风稳定性能是大跨度悬索桥设计和建造中的一个重要课题。本文从提高系统整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动性能等三个方面介绍了国内外在改善大跨度悬索桥抗风稳定性能中的实践和探索，并归纳出了一些理论分析和试验研究的结论，这些结果将有助于我国2000m以上大跨度悬索桥抗风稳定性的设计和研究。关键词：悬索桥抗风稳定性颤振系统刚度结构阻尼气动性能一、引言随着桥梁设计和施工水平的不断提高，现代悬索桥的跨度记录不断被刷新，保持了近20年世界记录的英国Humber悬索桥（1410m），在最近两年接连

2、被丹麦GreatBelt悬索桥（1624）和日本AkashiKaikyO悬索桥（1991）所超越，而新一轮设计和建造更大跨度悬索桥的热浪正在世界各地酝酿之中。其中，日本建设省土木工程研究所正在进行2800m跨度的悬索桥全桥气弹模型风洞试验和抗风设计研究【1】，意大利Messina海峡一跨过海的可行性方案采用了3300m跨度的悬索桥，而跨越Gibraltar海峡的规划中更是出现了3550m的悬索桥［2］。我国自1999年建成了1385m的江阴长江大桥后，超越2000m跨度的悬索桥方案也已经出现在规划中的同（江）三（亚）线等大型跨海工程中。

3、悬索桥跨度大幅度增长带来的主要问题是结构刚度的急剧下降，这使得风致振动对桥梁安全性的影响更加重要，而影响风振性能最关键的因素就是抗风稳定性，即桥梁颤振稳定性。桥梁颤振是一种发散性的自激振动，是在结构的惯性力、阻尼力、弹性力和自激气动力共同作用下所发生的一种空气动力失稳现象。其中，结构的惯性力、阻尼力和弹性力反映了结构的动力特性，而自激气动力主要与结构断面的气动外形有关。因此，改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的探索主要从以下三个方面着手，即提高系统整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动性能。二、提高系统整体刚度大跨度悬索桥的结构刚度主要来自

4、于主缆，因此提高结构整体刚度的着眼点应放在主缆上。通过调整主缆同加劲梁的相对位置和增加特定的水平和横向的辅助索可以达到提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的目的[3]，而颤振临界风速同桥梁扭转频率和扭弯频率比直接相关，所以这类方法对提高大跨和超大跨悬索桥的颤振稳定性也是行之有效的。此外，有的学者还提出应用空间索系来提高悬索桥的侧向和扭转刚度[4]，虽然在理论上非常有效，但由于施工的过于复杂目前很难付诸实施。1．水平辅助索利用水平辅助索可以提高悬索桥的抗扭刚度从而提高扭转振动频率。因为加劲梁扭转模态振动时两根主缆作异相抖动，表现为沿着桥梁轴线的

5、反对称运动，而水平辅助索将有效地抑制这种主缆的反对称抖动，从而提高结构的抗扭刚度。其效果类似于桥塔抗扭刚度的增强。2．横向辅助索横桥向布置的辅助会对也可增强悬索桥的扭转刚度。这些辅助索的共同效果在于将加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在一定程度上耦合起来（扭转中心上升），从而提高结构总体抗扭刚度。当主梁扭转时由于横向辅助索的约束使主梁的扭转运动总是伴随着主缆的运动和加劲梁的侧向水平运动，对相同荷载作用下的扭转振动而言振幅得到了一定的控制，扭转刚度也得到了提升。在实际应用中a方案较为经济，但由于主缆居中，考虑到保证交通净空的必要无法在跨中将主

6、缆同桥面作刚性连接（即中央扣），而这是大跨度悬索桥提高扭转和侧向刚度的一个非常有效的结构措施。b方案是在普通双主缆悬索桥的横断面上增加了横向交叉索，从而使扭转振动同侧向振动耦合而提高扭转刚度。这种方案不仅能提高颤振稳定性，而且施工方法也很简便；主缆和桥面可按照普通悬索桥的方法步骤来施工，而横向交叉索可以根据实际要求既可在施工过程中充当施工临时索，也可一并在桥面安装完成后布设。此外，这一方案还留有进一步改进的余地，如将横向交叉索扩展到全跨或将二主缆连接起来以进一步提高抗扭刚度和颤振稳定性。方案c和d的结构刚度提高较大，颤振稳定性较之方案a

7、和b更好，但由于主缆位于不与桥面正交的倾斜面内，给施工带来了较大的困难。方案d还有缆索用量较大（估计比通常悬索桥增加120％[2])的缺陷，而且桥面下的两根主缆也有可能影响桥下的通航净空。所以这两种方案需经慎重比选后再采用。从提高颤振临界风速的效率以及造价、施工等各方面综合比较而言，方案b是较为可行有效的选择。横向交叉索的布置位[5]是另一个需要认真对待的问题，通常的布设位置在主跨的四分点处。相关的理论计算得出的结论是交叉索的最佳位置是在主跨的0.3L处或边跨的跨中，此外同时在中跨和边跨布横向索的效果不如单独在一跨布索。当然这一结构的正

8、确性还有待进一步验证，因为在计算中采用风洞试验实测气动力和采用Theordorson函数表达的气动力进行计算其结果刚好相反。最后，需要指出的是不管是采用水平索还是横向索，应用缆索系统来提高结构刚度从而提高桥