大跨度桥梁柔细构件风（雨）作用及其振动控制研究

发布时间：2017-07-28 08:17

第 1 章 绪论

1.1 大跨度桥梁发展概况
古代桥梁多使用天然的木材、藤条以及石材等作为建筑材料，桥梁形式多为简易的吊桥、简支梁桥和石拱桥等，这一时期的桥梁因建筑材料和科学水平的限制，桥梁跨度较小。近代桥梁是以 19 世纪中后期钢材以及钢筋混凝土的出现和应用作为标志，较以往的桥梁，其跨度明显增加，可以增大至上百米，结构形式也呈现多样化，从一开始的简支梁板桥和石拱桥发展至出现了钢拱桥、斜拉桥和悬索桥等。现代桥梁工程是以 20 世纪中后期预应力技术以及高强钢丝的出现和应用作为标志，德国工程师 Dishinger 就于 1956年在瑞典成功修建了世界上第一座现代化的斜拉桥（主跨 182.6m 的 Strjmsund桥），第一座现代化悬索桥则为 1903 年在美国建成的主跨 488m 的 Williamsburg桥，1930 年建成的主跨 1298m 的美国金门大桥是世界上第一座千米级的大跨径桥梁。英国主跨 1410m 的 Humber 大桥，丹麦主跨 1624m 的大带东桥均为桥梁建造史上里程碑式的桥梁工程，1997 年建成的主跨 1991m 的日本名石海峡大桥是目前跨度最大的桥梁。近二十年多年来，我国大跨度桥梁建设取得了飞速发展，主跨 1088m 的苏通大桥和主跨 1650m 的西堠门大桥先后于 2008 年和 2009 年建成通车。随着西部开发进程加快，一些跨越崇山峻岭、深切峡谷的山区大跨度桥梁也相继建成，如湘西矮寨大桥等。

随着新材料的不断涌现、桥梁计算理论的不断完善以及施工机械和技术的改进，21 世纪的桥梁将朝着轻质、超大跨、高强度方向发展，譬如国外目前正在规划的意大利墨西拿海峡大桥（主跨 3300m 的悬索桥）等[3][4]。国内的国道主干线同江至三亚就有 5 个跨海工程[3]－渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋以及琼州海峡跨海工程，这些跨海工程就包含一批超大跨度桥梁工程。表 1.1～表 1.3 分别列出了世界范围内跨度排名前 5 的已建成的拱桥、斜拉桥和悬索桥。图 1.1 给出了几座典型大跨度拱桥、斜拉桥和悬索桥实例。

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1.2 桥梁柔细构件风（雨）致作用研究
随着桥梁跨度的不断增大和轻质高强材料的推广使用，桥梁主梁与构件也趋于柔细化[4]，整体式大节段施工方法使得结构阻尼进一步降低。譬如拱桥中的吊杆、斜拉桥和悬索桥中的拉索和吊索等构件的长细比都越来越大，即使以前作为大吨位构件的主梁，随着桥梁跨度的增大，其长细比也大大增加。九江长江大桥采用的 H 型吊杆其最大长细比（杆件长度与截面回转半径之比）达到了 64 左右[5]，南京大胜关长江大桥的箱型截面吊杆其最大长细比达到了 65 左右[6]。斜拉桥方面，目前国内跨径最大的苏通大桥其最长斜拉索达到 580m，其也为世界最长的斜拉索，横截面直径为 0.12m 左右，长细比达到 9600，其箱型主梁的横截面高为4m，主梁跨径 1088m，跨高比达到 272。悬索桥方面，跨径最大的明石海峡大桥其最长的吊索将近 220m 左右[4]，吊索横截面直径只有 0.1m 左右，其长细比达到5500 左右，主桁架高为 14m，主梁跨经 1991m，跨高比达到 142。国内的西堠门大桥其最长吊索的长度为 170m，横截面直径为 0.088m，长细比达到了 3800 左右，其箱型主梁高 3.26m，主梁跨径 1650m，跨高比达到 506。

桥梁跨度的增大带来的重要影响之一就是主梁及柔细构件的风致振动问题进一步加剧。但由于认知的限制，人们在很长的时间内忽视了风对结构物的动力作用，直至 1940 年美国的 Tacoma 悬索桥建成四个月后在 19m/s 的风速下发生振幅达 45°的扭转振动一个小时后倒塌，对桥梁工程界造成了极大的震惊，拉开了桥梁风工程研究的序幕。风工程经过几十年的发展，已形成现场实测、理论分析、风洞试验和数值模拟四大类手段来研究结构的风致振动现象，对各种振动现象有了较清楚的认识。然而，大风一般伴随着降雨，风雨耦合作用相比风单独作用时对桥梁柔细构件的影响有何不同，仍然需要进一步的研究和分析。以下将从风单独作用和风雨耦合作用两个研究领域分别归纳现有的研究现状。

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第 2 章 大跨度桥梁主梁风雨作用效应理论分析

2.1 引言

已有的研究表明风雨耦合作用对结构的影响主要体现在四个方面[15][79]：(1)雨滴作为一种离散的悬浮颗粒介质分布于大气中引起空气密度的改变；(2)雨滴下落过程中会受到自身重力、空气阻力、风的输送力等复杂作用力，其联合作用会影响雨滴动能，并对结构产生一定的冲击荷载；(3)雨滴与结构接触后，一部分雨滴会粘附于结构表面形成积水，另外一部分雨滴则会产生溅射，可能在结构物表面周围产生复杂的积水层及雨水粗糙层，从而影响断面受到的三分力；(4)降雨造成积水造成附加重量，影响结构受力特征。各作用因素往往相互耦合对结构的静动力响应产生影响，相当复杂，须分别掌握上述各因素对结构静动力响应的影响机理和规律，以便从本质上了解风雨耦合作用特点，为后续试验提供理论基础。

尽管已有学者对降雨对桥梁主梁的静动力效应进行了一定的研究，但并没有明确降雨对结构的作用机理。降雨是由直径大小不同雨滴组成，直径过小的雨滴以雨雾形式改变空气表观密度，大直径雨滴则对主梁产生直接冲击作用，为此可以认为，降雨导致空气密度改变以及降雨对主梁的直接冲击效应代表了这一荷载效应的上下限。为分析降雨对主梁的作用效应，本章首先回顾了雨滴的几何外形、粒径分布、运动轨迹和降落速度等降雨的关键特征参数。然后依据上述特征参数分析了雨滴引起的空气密度变化、雨滴对单位结构表面积的雨滴冲击力，给出了简化的雨滴冲击荷载实用计算公式。最后对降雨引起结构物表面积水和粗糙层厚度做了理论分析，通过对比不同理论和经验公式，探讨了其各自的合理性和适用于工程计算的实用公式，归纳了降雨对主梁振动响应的影响规律。

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2.2 降雨基本参数
无论是模拟降雨进行试验还是理论分析降雨的作用效应，首选须要掌握天然降雨的基本特征。很多学者对天然降雨的主要特征进行了研究，这些特征为降雨量和降雨强度、雨滴直径大小及分布特征（雨滴谱）、雨滴运动轨迹和终点速度等。
2.2.1 降雨量和降雨强度
我国气象部门对降雨强度的划分一般采用长时间（天、月或年为统计时间）的统计平均值[120]。但对于工程结构而言，最为关心的是降雨在短时的雨强极值，上述划分显然不具合理性，任月明[121]、白海峰[122]等学者根据各地区大量的雨强统计资料总结了适用于工程结构安全设计的雨强划分标准如表 2.1 所示。
各地区的降雨量及降雨等级均不同。基于国家发布的《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》[123]，各地区及城市开展了历史暴雨强度统计及统计分析工作，建立了各自的暴雨强度公式及计算图表，依据公式和图表可以获得各城市不同重现期任意时距下的降雨强度设计值。以《深圳市新一代暴雨强度公式及计算图表》为例，表 2.2 给出了深圳市 6 个重现期 T（年）和 9 种特定的平均时距 t（分钟）相互组合下的暴雨强度值。由表 2.2 可知 100 年重现期下的5min 统计时距的暴雨强度为 262.2mm/h。

风雨耦合作用的研究可以分为现场实测、理论分析、数值模拟和风洞试验四种方法。目前虽已有相关风雨耦合作用现场实测资料（譬如 Blocken[41]、Choi[43]、Baskaran[46]等学者），但由于受测试仪器和条件的限制、各测试因素存在不可调控的特点以及存在相关干扰因素，因此难以得到规律性成果。另外由于涉及到固-液-气三相耦合加之雨滴形态和运动过程的复杂性，无法建立准确的可得到精确解析解的风-雨-结构三相耦合运动方程，使得理论分析和数值模拟的难度非常之大，特别是风雨耦合对结构气动特性的影响，更加无法靠上述两种方法获得其准确的量化规律。而风洞试验则具备上述各研究方法不具备的优点，相比现场实测其能够很好的调控各试验参数，排除干扰因素，得到各试验目的下的准确试验结果和量化规律，并且可实现重复操作验证试验规律。另外风洞试验较之理论分析和数值模拟，能够更加真实的模拟风雨耦合作用现象，不需做出过多的不合实际的假设和忽略相关影响因素。

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第 3 章 大跨度桥梁主梁风雨耦合作用试验研究 .......................44 
3.1 引言 ......................................................... 44 
3.2 风-雨耦合作用的风洞模拟试验设备开发 ............................ 45 
第 4 章 大跨度钢拱桥吊杆减振方法的研究与工程应用....................92 
4.1 引言 ........................................................ 92 
4.2 电涡流 TMD 减振原理与参数分析 .................................. 93 
第 5 章 大跨度悬索桥吊索减振方法的研究与工程应用.................... 117 
5.1 引言 ........................................................ 117 

5.2 多索股吊索的分隔器联合索端阻尼器减振方法................. 118 

第 5 章 大跨度悬索桥吊索减振方法的研究与工程应用

5.1 引言
随着大跨度悬索桥的兴建，吊索构件的抗风稳定性开始被广泛关注，特别是在沿海、湖泊和山区峡谷这三类强风多发地区，细长吊索的风致振动问题已成为决定索构件和桥梁整体使用寿命和行车安全的关键性问题。相比主梁和刚性吊杆的单模态振动为主的风振形式，吊索的柔性特征决定了其动力响应表现为机理复杂的多模态耦合振动形式。而且目前有数量众多的悬索桥采用多索股吊索的布置方式，多索股吊索相比单索股吊索由于近距离索股之间的气动干扰效应，其振动机理尤为复杂，风致振动形式主要表现为索股间互相碰撞（相对运动）与索股的同步运动，索的碰撞和大幅摆动均会使其寿命大大折减和对通行者造成恐慌。
对于振动机理复杂的多索股柔细吊索，单纯使用上述一种减振方法难以达到抑振目的。譬如西堠门大桥的骑跨式吊索在未安装减振装置之前其吊索在各风速区间下都出现了明显的不同幅度的振动，在 25m/s 的风速下其长吊索的跨中振动幅度达 0.5m，造成碰索现象，后来通过在两索端部位置安装阻尼器减小了其小风下的索振动，但大风下的碰索和大幅摆动现象仍未消失，有待进一步的深入研究更加合理的减振方案。丹麦的大带东桥的平行双索也出现了复杂的风致振动[118][119]，研究人员探索了多种抑振方法，最后采用分隔器联合索端阻尼器的方式，遗憾的是其并未有文献具体的报道此类减振方法的有效性和相关机理分析。

本章以西堠门大桥的骑跨式多索股吊索为研究对象，通过参考丹麦大带东桥的吊索减振措施-分隔器（去除相对运动）和索端阻尼器（减小整体运动）的联合减振方法，通过试验、数值模拟以及现场实测方法来验证此减振方法对减轻此类多索股吊索复杂风致振动响应的有效性，并给出相关参数分析结果。

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结论与展望

本文主要结论

目前桥梁及其相关构件正朝着大跨轻柔的趋势发展，由此而带来的各类风致以及风雨耦合静动力响应问题变得愈发突出，针对此类问题，本文基于理论分析、数值模拟、风洞试验和现场实测等方式开展了大跨度桥梁及其柔细构件的相关风（雨）致振动问题及其控制方法研究。得到了如下主要研究结论：

(1) 从降雨引起的空气密度改变、雨滴的冲击作用以及降雨在结构表面的积水三个角度研究了风雨耦合作用对主梁的影响。分析表明即使雨强达到超强暴雨时（1000mm/h），其引起的空气密度变化率仅为 2%左右，其值可以忽略。通过对雨滴冲击力的分析发现，即使雨强达到超强暴雨时（1000mm/h），其单位面积的竖向冲击力仅为 2.5N/m2，几乎可忽略，若风速为 50m/s，则此时结构单位面积的雨滴水平（顺风向）冲击力，，其值约为 300N/m2。比较分析已有坡面积水厚度经验计算公式后认为季天剑的试验回归公式计算结果最为接近实际的主梁断面坡面积水厚度，按照公式计算得到的水膜厚度相比实际主梁高度而言非常小，除雍水严重的特殊断面外其对主梁外形的影响可以忽略不计。对某接近实际桥梁主梁断面尺寸的双面排水矩形主梁断面风雨作用荷载进行了分析，在 10m/s~20m/s 风速下，强降雨冲击力荷载相比单纯风作用下的气动阻力增加量可达 10%，降雨附加升力相对气动升力要比阻力明显，但在高风速下其影响均大为减小。通过对降雨下的主梁运动分析表明：对于对称积水的主梁断面，降雨所做负功要大于其对运动主梁所做的正

本文编号：582949