悬索桥的抗风抗震

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1、悬索桥的抗风抗震技术1.桥梁抗风技术1.1.塔科玛桥的倒塌1879年英国泰桥垮塌等事故，使桥梁技术人员对风的作用十分恐怖，因此，福斯等铁路桥梁的设计都由最初的悬索桥改为了悬臂桁架梁桥。但是，风使跨度超过800m的长大悬索桥摇动翻滚，把桥吹成成百上千块小片塌落下来是谁也没有想到的，可这样一个活生生的悲剧却实实在在地发生了。1940年11月7日的前半夜，华盛顿州塔科玛市的海面上刮起了风速19m/s的强风，4个月前刚刚竣工的全新的塔科玛悬索桥在风的吹动下，经历了几个小时的上下摇动之后，诱发了扭转振动导致了可怕的跨桥事故。由于泰桥的原因，设计塔

2、科玛桥时充分考虑了风的静力作用，还委托华盛顿大学的法库哈森教授做了模型试验，并无任何疏忽与漏洞。事故的原因并不是风的静力作用，而是莫伊瑟夫完全没有预料到的动态的风，即随时间变化的风产生的作用力所致。莫伊瑟夫给出了美国悬索桥设计的支柱理论——挠度理论，从而创造了悬索桥可能飞跃发展的历史。挠度理论的原理是恒荷载本身对悬索桥的刚度有重大贡献，因此，大跨度悬索桥的主缆很大的话，车辆就像是在钢丝绳上停了一只苍蝇一样，应该是可以不要桁架的。塔科玛桥和其他先前长大悬索桥相比更加的纤细轻巧，而且用梁代替了桁架加劲，梁高是跨度的1/350，桥宽和跨度之比

3、为1/72，和以前的悬索桥相比是明显的。“塔科玛悬索桥产生的风振直至破坏，但实际上也不过是历史的重演。看看过去的记录，也有为数不少的悬索桥产生过同样的风振，跳过殉难前的舞蹈。之所以产生这样的现象，都是由于桥梁的刚性或刚度不足而引起的。采用坚固的加劲桁架，悬索桥就不再会摇晃振动，近年来，轻视刚性的倾向逐渐加剧，导致了跨桥死亡舞蹈的再度重演”。这是哥伦比亚大学芬奇教授发表的《由风产生的数座悬索桥的灾害》论文开头的一节中的一段话，该论文的副标题是“加劲桁架梁的发展与衰退”。塔科玛桥的悲剧发生之后，美国采用的确保悬索桥抗风稳定性的方法主要是两种

4、。一种是采用桁架加劲梁和开敞式的桥面使涡旋分散的方法，另一种是由自重增加刚度的方法。有时虽然也像斯坦因曼那样采用中央扣或斜拉索等等方法，但这些方法始终是一种辅助手段或者是用来应付紧急情况的，说到底，北美抗风对策的实质是桁架和重量。1.1.欧洲抗风方式的改进相对于这种美国方式的考虑方法，欧洲的技术人员开始注意到了一种新的途径，例如采用扁平的翼型断面（AirfoilorAerofoilSection）以减小风的作用力或者抑制涡旋的产生。不可置疑的是采用扁平翼型断面加劲梁的新概念带来了日后世界长大悬索桥的革命。莱昂哈特接受曾经讲过：“在特丁顿

5、的国立物理研究所，正在进行我所设计的新断面桥梁的风洞试验时，正好也在进行赛文桥桁架模型的实验。由于我所设计的断面空气动力性能很好，使得赛文桥的断面形状也发生了变化，在扁平的中空箱梁的两侧伸出了像鱼鳍一样的悬臂板用来做人行道，在这之后，作为英国式悬索桥的加劲梁断面终于诞生了。”加劲梁由桁架向翼型断面箱梁的转变使悬索桥变得更加轻，更加经济了。“箱梁断面的顶面全宽可以作为道路而有效的使用，外表面的涂装面积则大大减少，而且由于密闭，箱梁内部不需要补修涂装……，箱梁可在所有的方向有效地抵抗某个特定方向的作用力，如局部弯曲应力、竖直方向的弯矩、水平

6、面内的弯矩、剪力和扭转力矩等等。因此比限定的构件单纯抵抗某个方向作用力的桁架少用钢材，加劲梁重量减少了，主缆、塔、锚碇也就相应变小了。箱梁的另一个优点是和桁架相比，风的抗力仅为1/3，由于塔顶主缆传来的水平反力是由桥面系70%的风力而产生的，风的抗力减少至1/3，无疑对塔的设计带来很大的影响”。但是令人烦恼的是从恒伯尔桥建成的1981年开始，成为范例的带来世界悬索桥革命的赛文桥却出现了明显的结构构造问题。首先是斜吊杆的振动非常激烈，有的吊杆甚至发生了断裂。这是竖直吊杆从来也没有发生过的现象，于是立刻安装了制振装置或将吊杆的固定部用更坚固

7、的部件更换，但这些措施并没有根本解决问题。竣工后16年后，从1982年春季开始，技术杂志上频繁出现了赛文桥相关报道，内容涉及到好多问题，可见事态是非常严重的。结论是赛文桥的建造虽然凝聚现代架桥技术的精华，当竣工后不过16~17年，却已经达到了结构疲劳的极限。这使人感到风靡一时的赛文桥存在着某些实质上的缺陷，仅仅经过十几年的使用急剧损坏的事实，成为了自塔科玛桥垮塌以来最大的事件，桥梁技术人员收到了巨大的冲击。现实的感觉赛文桥已经危在旦夕了，不得不投入2倍半的建设资金进行了补强加固。赛文桥由于忽视了悬索桥的重量而造的太轻了，在风作用和车辆行

8、驶作用下，成为极敏感的结构。风洞试验的结果，虽然没有出现塔科玛桥那样的破坏振动，但却总是常常出现发出嘎啦嘎啦响声的振动。1.1.20世纪末的悬索桥在长大悬索桥变迁的题目之下来写20世纪悬索桥技术进步的过程，