桥梁结构风振控制与设计思路分析

徐勉科

摘 要：为了提高桥梁结构的抗风性能，强化桥梁主体结构的安全性与稳定性。文章结合实际在阐述桥梁结构风振影响因素的基础上，对桥梁结构控制风振思路以及设计要点进行总结分析，希望探讨后可以给同类工程提供借鉴。

关键词：桥梁结构;风振控制;设计思路;分析

中图分类号：U441 文献标识码：A

0 引言

桥梁结构的安全性与稳定性，在一定的程度上与桥梁结构风振控制水平的高低有着一定的联系。因此为了能够满足结构性安全性的稳定要求，对桥梁结构风振控制要点以及设计思路进行研究，探寻出更为科学有效的设计方案是本文的研究重点。

1 桥梁结构的风致振动

针对桥梁结构的风致振动而言，具体来看主要包括两种类型，如限幅振动和发散振动，后者又包括驰振和颤振。如表1所示，即是桥梁结构对风荷载响应的具体类型。桥梁抖振主要是在紊流场的条件下产生，受制于阵风所携带的强迫振动和随机性振动，相应的表现则比较复杂。而就现有的研究数据反映，颤振所带来的失稳破坏远高于抖振，但如果后者响应过于激烈，相应的其对桥梁所造成的不良影响也会比较突出。一般来看，处在一定流速条件下的物体，其两侧往往会产生不对称且脱离表面的漩涡，而后还会出现相互交替的横向风力，在这样的共同作用下即会出现涡激共振的不良情况。一般来看，桥梁结构内的主梁整体都应认真分析涡激振动，但是如果桁架主梁的除透风率>50%，那么就无需考虑这样的情况。另有研究数据表明，大跨度桥梁的主梁和拱桥的吊杆以及斜拉桥的斜拉索等结构物也会出现涡激振动的不良情况，且会对桥梁的正常使用造成影响，这点应引起高度的重视。通常情况下，弹性气体在气流条件下出现振动或变形，反过来又推动气流力的变化，如此弹性体即会出现新的振动和变形，该过程所形成的气动弹性应高度重视。对于气动弹性力来说，其不稳定性的情况属于气动弹性的一般情况，而桥梁驰振和颤振等则应引起重点关注，特别是气动弹性力的针对性防控。

2 橋梁结构的风振控制措施

2.1 结构措施

（1）通过增大桥梁结构刚度加大固有频率。通常来看，促使桥梁结构刚度增加则会引发振动幅度减小的后果，同时临界的风速也会增大，并最终导致桥梁结构固有频率的加大。但是这样的结构处理并不通用，就拿一些柔性大跨度桥梁来说，通过增大刚度并不能达到较为理想的效果，且还会造成很大的不良影响。

（2）通过增大桥梁结构质量来降低风致振动幅度。尽管增加桥梁结构质量会带来一些积极的影响，但是同时也会影响到桥梁结构的固有频率，这点应重点关注。

（3）对于那些不属于流动性的大跨度桥梁，一般应增加其截面的抗扭刚度。通常情况下，这样的桥梁断面会出现颤振的不良情况，而扭转则应引起重点关注，只有落实好这方面的处理，桥梁断面颤振的情况才能得到有效地规避。

（4）提高临界风速。在实践阶段中，通过采取多振型耦合颤振理论方法，由于桥梁多振型耦合桥梁，在抗击风稳定性上有一定的作用。所以在实践阶段中可以通过增加约束方式改善风振结构来实现桥梁整体稳定性。需要注意的是在桥梁结构增加阻尼来抗震风稳定性，这一措施应用的阶段它需要考虑到风阵形成的机理，并且根据实际情况对阻尼器的功能进行综合选择，如此才能够提高抗风阵结构的质量。

2.2 气动措施

对于桥梁截面而言，如果不同类型的气流经过截面时就会出现相应的气流作用，在一定的程度上会给桥梁截面的气动外形造成一定的影响，无论是从前者或者是从后者分析均存在一定的变化。另外由于大桥外形和风荷载性质在一定的程度上会给震动产生一定的作用，如果桥梁的预定功能和结构特征存在不均匀性，在这种背景下桥梁产生的影响减少，就可以通过改良桥梁外形提高导流结构的方式，减少气动的影响，就目前分析，可知在实践阶段中由于风动实验的方式，能够对不同气流作用下形成的作用进行归纳分析，风能力控制上需要从以下几个层面做好控制：

（1）实施不同截面颤振导数测试的过程中，形状相同的截面应确保其稳定性和宽度比等的适宜，特别是宽度比，通常应使其处在>7的条件下。

（2）桥梁断面悬臂型桥梁较之钝头桥梁断面的气动性更为突出，且悬臂长度与桥梁稳定性之间极为协调，如此也就保障了长悬臂结构的稳定。

（3）截面形状的端部有着极为重要的作用，特别是在裙板和风嘴设计。通过这样的精细设计，能够精细地形成流线型截面，同时还能有效地规避涡脱等不良情况。

（4）对于桥梁存在更大跨度或是较低频率的情况，一般可在桥面部位开槽通风，以确保气动性稳定性的达标。

（5）通过在桥梁结构中增加一定数量的抑流板和导流板等的处理方式，能够极大程度地降低抖振等不良情况发生的可能性。

2.3 机械措施

此类处理主要是在以上气动措施无法达到预期效果的条件下应用。相应的处理主要分为以下几种：

（1）对于主动控制来说，主要是在外部能源介入的基础上进行，与此同时通过外部荷载的共同作用进行瞬间控制。不仅如此，也可借助于增大或减小结构动力的方式，以起到减弱振动影响的效果。这方面的控制为的是通过实时监测结构动力反应进行，其中涉及到的现代控制理论对模型的主动控制应重点关注，以通过精细的计算达到最佳的控制效果。通常情况下，即便外部输入巨大的能量时，也可起到限制桥梁结构振动的现实效果。以下是两种不同机制的主动控制：

①反馈机制，该条件下的主动控制主要是在结构反应观测的基础上进行，这点应重点关注;

②前馈机制，这方面的控制主要是通过环境干扰观测进行。

（2）半主动控制，该过程主要是在结构反应和外部激励信息的主导下进行，此类控制与以上主动控制在实施上有着诸多的相似之处。其都是借助于结构的调节进行结构刚度等内部参数的调节，以将结构的反应降到最低，这样即能使结构达到最佳的状态，而系统也能高效地控制。对于半主动控制来说，其所用到的设备是一种机械式，通过其与桥梁刚度的结合进行高质量地处理。

（3）被动控制，这样的控制能够在被动的条件下消耗振动能量，如此这样条件下所存在的不良影响即能有效防控。

（4）混合控制，这样一种控制融合了主控制和被动控制，可以说集合了以上两种控制的优点，且具备风振控制的应用优势。具体来看，这样的控制有着主动控制优良的控制效果，且能最大程度的利用振动能量，以使以上控制方式处在一种最为理想的应用状态。

3 桥梁结构抗风设计要点

针对桥梁结构的振动来说，风也会是引起震动的主要因素，在设计桥梁临界风速的时候，需要针对实际情况对临界风速可能引起的震动问题进行考虑。此外还需要根据实际情况控制涡激共振和抖振产生的幅度，减少每个阶段抗震的问题使其能够达到实际需求。所以在具体设计的阶段中需要考虑到桥梁临界风速和桥梁安全密度的关系，要根据实际情况综合性的选择风洞试验的方式以及气动模型的方式进行模拟设计分析，并且在掌握相关设计参数之后，根据设计方案的需求做好桥梁抗风设计的思路构建。

（1）各个地区的风力特性往往有着很大的差异，因此在具体设计的过程中应加强桥梁施工区域的调查和分析，尤其是桥梁结构方面的设计资料，应确保全面精细。例如桥梁所在区域的特殊风向和特殊地形等，都应进行精细全面地分析。另外，还应根据整体性的分析做出灵活的调整。

（2）桥梁的设计还应精细分析桥梁的动力特性，这样风振分析才能高效地落实。具体分析的过程中，一般可通过适宜的动力模型进行，借助于结构相近的桥梁实测资料的比较，以对所得到的分析结果进行深层次地验证。

（3）桥梁颤振过程中的临界风速也应进行精细的分析，且应将其放在极为突出的位置。对于基准临界风速小于临界风速的情况，往往会产生严重的不良后果，因此应高度重视。相对来说，外界风速小于临界风速时，相应的桥梁则会受到较小程度的振动，这样的一种情况对防控振动有着重要的现实价值。

4 结语

综合以上叙述，在桥梁结构风险控制以及设计的阶段中想要确保桥梁结构的安全性，就需要根据实际情况对桥梁结构风振的影响因素进行分析，并且采取有效的设计方案减少风振造成的影响。在上文研究中，针对结构风险控制以及设计要点进行了详细的探讨，提出了针对性的设计思路，目的在于提高桥梁结构的抗风性能，强化整体结构的安全稳定性。

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