大跨度钢拱桥H型吊杆抗风分析

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400041)

一、风荷载对桥梁的影响

近年来，我国桥梁建设取得举世瞩目的成就，无论是桥梁的数量还是已建成桥梁的跨度都稳居世界前列。同时对桥梁工程的灾害防治也不得不引起重视，其中风荷载的就是不得不考虑的破坏因素之一。桥梁作为跨越江河的重要交通设施也经常受到风的威胁和破坏。经过一系列的桥梁垮塌事故后，人们开始重视桥梁结构的抗风设计。

在桥梁工程中，风荷载引起的振动形式主要有四种，即颤振、驰振、抖振和涡旋共振。颤振指物体在一定匀速气流中由于几种力的多重作用而发生的振幅不衰减的自我振动。颤振是一种扭转发散震动或者弯扭发散震动，常导致灾难性的结构破坏。

驰振指细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。桥梁抖振是一种重要的风致振动现象，其主要是由自然风在结构上施加一个非定向荷载引起的结构强迫性振动，这种振动是一种限幅的振动，在风速较低的情况下经常发生。需要指出的是抖振作为一种限辐振动，不会引起结构的灾难性破坏，但如果其发生频率过高会造成结构疲劳，发生疲劳破坏。

涡激振动和抖振很相似都属于限幅振动，都不会造成构造物的灾难性结构损伤，在风速情况下较低的时有发生。

二、拱桥的发展

我国的拱桥始建与东汉末年，虽然相比于西方国家来说起步较晚，但是古代我国的石拱桥建造技术却代表了当时的最高水平。随着材料、施工工艺以及结构体系的发展，拱桥的跨越能力越来越大。根据理论计算，混凝土的极限跨越能力可以达到500m，而钢拱桥的极限跨越能力更是可以达到1200m。

我国早期的石拱桥建造技术主要根据经验积累，并没有形成如今的成熟的计算理论。地方不同，地势结构不同，承重需求也不一样，所以说构造的尺寸也不一样。

钢筋混凝土拱桥相比以前的石料和木材等材料拥有很大的优势，它自身的重量比较小，跨越能力比较大，充分利用了混凝土和钢材的优势，使得拱桥的经济性能大大提高。1997年建成的万州长江大桥是当时世界上最大的钢筋混凝土拱桥。

随着对桥梁跨越能力要求的不断增强，越来越多的地方开始建造钢拱桥，比如2009年建成的重庆朝天门大桥，主跨为520米，它是目前世界上主跨最大的钢拱桥。

三、拱桥H型吊杆受风荷载影响

拱桥相对于斜拉桥和悬索桥来说，其刚度较大，稳定性较好，理论上受风致振动的影响要小些，但是在中承式和下承式拱桥中，由于刚性吊杆的存在，经常会受到风荷载的破坏，所以风致振动在带有系杆或者吊杆的钢拱桥中不得不深入考虑。

(一)拱桥风荷载的特点

拱桥的主要受力构件是拱肋，拱肋上的平均风速随着桥梁高度呈现规律性变化。通常情况下，缆索称重桥的主梁截面大都是规则的等高度的截面形式。在拱桥中，拱脚受力较大，在跨中较小，拱桥截面的气动参数随着桥梁跨径的不同其参数的数值是不一样的。不同拱桥结构的拱肋截面形式差异较大，因为拱肋截面较钝，其气动参数的值和普通的流线型桥梁断面不一样。在风的作用下最容易引起的一种振动破坏就是涡激振动。

(二)H型吊杆的风致振动效应

H型吊杆顾名思义即为截面为H型的刚性吊杆。由于自身有很多优点，它的制作和养护比较方便，因此市面上运用得很多。然而，这种不光滑截面形式的钢结构杆件，细长，单位截面风阻小，故而构件气动稳定性差，在风荷载作用下容易发生振动破坏，更为严重的将影响桥梁结构稳定。

H型吊杆最常见的风荷载破坏就是涡激振动，H型吊杆不同于圆形吊杆，截面是一个钝截面，当风荷载以一定速度经过吊杆表面时，风流会在截面两侧形成漩涡。H型吊杆属开口薄壁杆件，其微圆扭转受力如图：

图1 H型吊杆微元扭转受力

根据其受力分析可得微元扭转平衡方程：

图2 微元扭转平衡方程

四、改进措施

H型风致振动措施主要有气动措施、阻尼措施和结构措施。第一种是气动措施：主要做一些实验对吊杆截面做出一些改变，例如风动实验，从而改善抗风能力；第二种是阻尼措施：主要是安装阻尼器，减小吊杆初始振动的值；第三种叫结构措施：主要是通过改变结构刚度，提高自身的自振频率。

通过科学研究表明，抗风索根数、抗风索道数、安装位置、边界条件和初张力的大小对吊杆抗风均有影响，他们大概影响程度：抗风索根数>抗风索道数>安装位置>边界条件>初张力。

五、结论

风致振动对悬索桥和斜拉桥中影响特别大，虽然拱桥的刚度较缆索承重结构桥梁较大，结构较为稳定，但是在H型吊杆的拱桥中产生了较为明显的破坏，通过水平抗风索有效解决了这一问题，但这并不是唯一的途径。随着新材料的不断出现以及结构受力体系的不断完善，对于H型吊杆拱桥风致振动影响必定会出现更好的解决办法。