改善大跨度懸索橋抗風穩定性能的實踐和探索

　　關鍵詞：懸索橋 抗風穩定性 顫振 系統剛度 結構阻尼 氣動性能

　　一、引言

　　隨著橋梁設計和施工水平的不斷提高，現代懸索橋的跨度記錄不斷被刷新，保持了近20 年世界記錄的英國 Humber懸索橋（1410m），在最近兩年接連被丹麥 Great Belt懸索橋（1624）和日本Akashi KaikyO懸索橋（1991）所超越，而新一輪設計和建造更大跨度懸索橋的熱浪正在世界各地醞釀之中。其中，日本建設省土木工程研究所正在進行 2800m跨度的懸索橋全橋氣彈模型風洞試驗和抗風設計研究【1】，意大利Messina海峽一跨過海的可行性方案采用了3300m跨度的懸索橋，而跨越 Gibraltar海峽的規劃中更是出現了3550m的懸索橋［2］。我國自1999年建成了1385m的江陰長江大橋后，超越 2000m跨度的懸索橋方案也已經出現在規劃中的同（江）三（亞）線等大型跨海工程中。

　　懸索橋跨度大幅度增長帶來的主要問題是結構剛度的急劇下降，這使得風致振動對橋梁安全性的影響更加重要，而影響風振性能最關鍵的因素就是抗風穩定性，即橋梁顫振穩定性。橋梁顫振是一種發散性的自激振動，是在結構的慣性力、阻尼力、彈性力和自激氣動力共同作用下所發生的一種空氣動力失穩現象。其中，結構的慣性力、阻尼力和彈性力反映了結構的動力特性，而自激氣動力主要與結構斷面的氣動外形有關。因此，改善大跨度懸索橋抗風穩定性能的探索主要從以下三個方面著手，即提高系統整體剛度、控制結構振動特性和改善斷面氣動性能。

　　二、提高系統整體剛度

　　大跨度懸索橋的結構剛度主要來自于主纜，因此提高結構整體剛度的著眼點應放在主纜上。通過調整主纜同加勁梁的相對位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達到提高結構抗扭剛度和扭轉振動頻率的目的[3]，而顫振臨界風速同橋梁扭轉頻率和扭彎頻率比直接相關，所以這類方法對提高大跨和超大跨懸索橋的顫振穩定性也是行之有效的。此外，有的學者還提出應用空間索系來提高懸索橋的側向和扭轉剛度[4]，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過于復雜目前很難付諸實施。

　　1．水平輔助索

　　利用水平輔助索可以提高懸索橋的抗扭剛度從而提高扭轉振動頻率。因為加勁梁扭轉模態振動時兩根主纜作異相抖動，表現為沿著橋梁軸線的反對稱運動，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對稱抖動，從而提高結構的抗扭剛度。其效果類似于橋塔抗扭剛度的增強。

　　2．橫向輔助索

　　橫橋向布置的輔助會對也可增強懸索橋的扭轉剛度。

　　這些輔助索的共同效果在于將加勁梁的扭轉振動同側向水平振動在一定程度上耦合起來（扭轉中心上升），從而提高結構總體抗扭剛度。當主梁扭轉時由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉運動總是伴隨著主纜的運動和加勁梁的側向水平運動，對相同荷載作用下的扭轉振動而言振幅得到了一定的控制，扭轉剛度也得到了提升。

　　在實際應用中a方案較為經濟，但由于主纜居中，考慮到保證交通凈空的必要無法在跨中將主纜同橋面作剛性連接（即中央扣），而這是大跨度懸索橋提高扭轉和側向剛度的一個非常有效的結構措施。

　　b 方案是在普通雙主纜懸索橋的橫斷面上增加了橫向交叉索，從而使扭轉振動同側向振動耦合而提高扭轉剛度。這種方案不僅能提高顫振穩定性，而且施工方法也很簡便；主纜和橋面可按照普通懸索橋的方法步驟來施工，而橫向交叉索可以根據實際要求既可在施工過程中充當施工臨時索，也可一并在橋面安裝完成后布設。此外，這一方案還留有進一步改進的余地，如將橫向交叉索擴展到全跨或將二主纜連接起來以進一步提高抗扭剛度和顫振穩定性。

　　方案c 和d的結構剛度提高較大，顫振穩定性較之方案a和b更好，但由于主纜位于不與橋面正交的傾斜面內，給施工帶來了較大的困難。方案d還有纜索用量較大（估計比通常懸索橋增加 120％[2]）的缺陷，而且橋面下的兩根主纜也有可能影響橋下的通航凈空。所以這兩種方案需經慎重比選后再采用。

　　從提高顫振臨界風速的效率以及造價、施工等各方面綜合比較而言，方案b是較為可行有效的選擇。

　　橫向交叉索的布置位[5] 是另一個需要認真對待的問題，通常的布設位置在主跨的四分點處。相關的理論計算得出的結論是交叉索的最佳位置是在主跨的0.3L處或邊跨的跨中

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