摘要：隨著我國橋梁工程的不斷發展，迫切需要編制適合我國國情的《公路橋梁抗風設計規范》。本文介紹了該規范編制中的幾個主要問題，其中包括基本風速圖和風壓圖、風荷載的表達方式、橋梁動力穩定性檢驗和風洞試驗要求等，此外，還討論了大跨橋梁成橋和施工階段的各種抗風對策。
關鍵詞：橋梁抗風、設計規范
0.
前言
1999年10月，江陰長江大橋正式建成通車標志著中國有了第一座超千米的懸索橋，同時也成為世界上能夠建造千米級大橋的第六個國家。自從80年代初中國改革開放以來，中國已建成了一百余座各種類型的斜拉橋，成為世界上建造斜拉橋最多的國家。如果把即將于2001年建成的南京長江二橋和福州閩江大橋統計在內，在跨度超過500m的世界斜拉橋中中國的斜拉橋已占有十分重要的地位。1996年我國人民交通出版社出版了我國第一部由同濟大學和中交公路規劃設計院編寫的《公路橋梁抗風設計指南》，幾年來已被廣泛用于多座大路橋梁的抗風設計中。在此基礎上，受交通部的委托，同濟大學、中交公路規劃設計院、中央氣象研究院以及西安公路交通大學針對其中的幾個關鍵問題進行了專題研究，為形成最終的《公路橋梁抗風設計規范》奠定了基礎。這幾個專題的內容以及通過多次修改形成的報批稿的目錄如表1所示。本文將主要介紹該規范編制中的幾個主要問題，其中包括基本風速的確定、風荷載的表達方式、橋梁動力穩定性檢驗和風洞試驗要求等
二、全國基本風速圖和風壓圖
基本風速定義為橋梁所在地區的開闊平坦地貌條件下，地面以上10m高度處，100年重現期的10min平均年最大風速。
本次規范編制，采用我國657個基本臺站1961年至1995年間自己記錄的風速資料，以極值I型分布曲線進行擬合，將基準高度從原來的20m高改為10m高，并考慮100年重現期，得到相應各氣象臺站百年一遇的最大風速值。鑒于目前我國有相當多的氣象臺站，由于近年來城市建設的快速發展，使得臺站環境不能滿足空曠無遮擋的要求，致使風速記錄明顯受人為因素的影響而偏小。本次研究，對其部分計算結果參照周圍臺站的情況予以適當的修正。與此同時，參照國內其他的規范確定基本風壓的下限值100年一遇為0.35kN／m2，50年一遇為0.30kN／m2，10年一遇為0.20kN／m2，相應的基本風速下限分別為24m/s，22m/s和18m／s。全國基本風壓圖和風速圖有如下特點：
1.東南沿海為我國大陸上的最大風壓區。風壓等值線大致與海岸平行，風壓從沿海向內陸遞減很快，到達離海岸50km處的風速約為海邊風速的75％，到100km處則僅為50％左右，這和造成這一地區大風的主要天氣系統--臺風有關。在這一區域內，大致有三個特大風壓帶，即湛江以南至海南沿海地區、廣東沿海地區以及浙江到福建省中部沿海地帶，百年一遇風壓在0.90kN／m2（38m/s）以上。由于臺灣島對臺風屏障作用，福建南部的風壓有所減弱。
2.西北至華北北部和東北中部為我國大陸上風壓的次大區。這一地區的大風主要與西伯利亞寒流引起強冷空氣活動有關，等風壓線梯度由北向南遞減。
3.青藏高原為風壓較大區。這一地區大風主要是因海拔高度較高所造成的。但該區空氣密度較小，因此，雖然風速很大，但所形成的風壓相對較小。從風壓圖和風速圖的對比中可以反映出這一特點。
4.云貴高原、長江中游以及南丘陵山區風壓較小，特別是在四川中部、貴州、湘西和鄂西為我國風壓最小的區域。大部分地區風壓在0.4kN/m2（25m／s）以下。
5.臺灣、海南島和南海諸島的風壓各自獨立成區，臺灣是我國風壓最大的地區。據分析,其東部沿海風壓可達175KN/m2（52m／s）以上；海南島的西、北、東部沿海風壓約為0.9kN/m2（40m／s）。西沙群島受南海臺風的影響，百年一遇風壓達1.80kN/m2（54m／s）。南海其余諸島的風壓略小于西沙。
新版風壓分布圖在總體上沒有改變原全國風壓分布的總格局，有降低的，也有提高的，但應該說更趨合理．且此次計算臺站數大大超過以往任何一次的分析，資料年限一般均達到30～35年，代表了當前氣候背景值。
對重要的大跨徑橋梁，宜設立臨時橋址風速觀測站，觀測時段不宜少于1年。由所獲得的短期風速資料推求年極值風速，并據此建立與附近氣象臺站的相關關系。
三、風荷載
橋梁是處于大氣邊界層內的結構物，由于受到地理位置、地形條件、地面粗糙程度、離地面（或水面）高度、外部溫度變化等諸多因素的影響，作用于橋梁結構上的風荷載是隨時間和空間不斷變化的。從工程抗風設計的角度考慮，可以把自然風分解為不隨時間變化的平均風和隨時間變化的脈動風的疊加，分別確定它們對橋梁結構的作用。
對于橋梁結構來說，風荷載一般由三部分組成：一是平均風的作用；二是脈動風背景作用；三是由脈動風誘發結構抖振而產生的慣性力作用，它是脈動風譜和結構頻率相近部分發生的共振響應。在本規范中將平均風作用和脈動風的背景作用兩部分合并，總的響應和平均風響應之比稱為等效靜陣風系數Gv，它是和地面粗糙程度、離地面（或水面）高度以及水平加載長度相關的系數。
為了便于理解新規范中有關風荷載的條文，我們列出了國內外規范中有關風荷載的規定，供參考。
1.在我國1987年的設計規范中，定義橫向設計風壓為：
該公式僅僅考慮了平均風的靜力作用，沒有考慮脈動風的背景響應和結構的振動慣性力的影響，是偏于不安全的。
2.日本《道路橋抗風設計便覽》適用于跨徑小于200m的橋梁。其設計風速和設計風荷載定義為：
其中：ρ為空氣密度；E1為高度及地表粗糙度修正系數；CD為橋面阻力系數；An為橋梁順風向投影面積；G=1、9，為陣風響應系數，是一個常數。
在上式中，引入了陣風響應系數，體現了風的紊流成分的影響，但沒有考慮風的空間相關，跨徑小平200的橋梁是可以適用的。
3.在日本《本州四國聯絡橋抗風設計指南》中，大跨度橋梁的設計風速和設計風荷載分別表達為：
其中：ν1為高度修正系數；ν2為水平長度陣風修正系數；ν4司為動力效應風載修正系數；其余參數意義同上。該式反映了因考慮風的水平相關使風荷載的脈動影響隨跨長增加的折減效應。
4.英國BS5400規范也采用等效靜陣風荷載的概念，設計風速取為最大陣風風速，其風速與設計風荷載分別表達為：
其中：K1為重現期系數；S1為穿谷系數；S2為陣風系數，該系數考慮了水平長度折減。
5.在本次編寫的抗風規范中，對橫橋向風作用下順風向的風荷載，將作用在橋墩（塔）、主纜、斜拉索上的風荷載和作用在主梁上的風荷載分開處理。除主梁外，作用在橋梁各構件單位長度上的風荷載可根據各構件不同基準高度L的等效靜陣風荷載按下式計算：
作用在主梁上的橫橋向風荷載，除考慮等效靜陣風荷載外，還應考慮由于抖振響應引起的慣性荷載，橫向力可按下式計算：
式中：PH為橫向力（N／m）；CH為主梁體軸下橫向力系數；D為主梁的高度（m）。Pd為因抖振所產生的結構慣性動力風荷載；當橋梁跨徑小于200m時，可忽略因抖振所產生的結構慣性動力風荷載；對于跨徑大于200m的橋梁，若判定其對風的動力作用敏感，則應通過風洞試驗取得必要的參數，然后由抖振分析得到結構慣性動力風荷載。
跨徑小于200m的橋梁可以下考慮豎向和扭轉力矩的作用。跨徑大于200m的橋梁，特別是懸臂施工中的大跨橋梁的豎向力和扭轉力矩宜根據風洞試驗和詳細的抖振響應分析得到。
四、顫振穩定性和靜風穩定性
大跨度橋梁在風荷載的靜力作用下有可能發生因計力矩過大而發生扭轉發散，或因順風向的阻力過大而引起橫向屈曲這兩種靜力失穩。橋梁在風的作用下還有可能發生一種自激振動，風的能量的不斷輸入使振幅逐漸加大。根據斷面的不同形狀，這種發散性的振動可以是彎曲型的馳振、扭轉型的顫振或彎扭耦合型的顫振，統稱為動力失穩。靜力先穩和動力失穩的臨界風速的較低者將控制大跨度橋梁的抗風安全。
靜力失穩和動力先穩兩者都是危險性的，都必須在橋梁設計時加以避免。此次規范除對顫振穩定性和馳振穩定性作了規定外，還對橋梁的橫向靜力穩定性和靜力扭轉發散作了規定。本文將主要介紹有關顫振穩定性檢算的方法。
橋梁的顫振檢驗風速按下式確定：
式中：[Vcr]為顫振檢驗風速（m／s）；Vd為設計基準風速（m/s）；K為考慮風洞試驗誤差及設計、施工中不確定因素的綜合安全系數，一般可取K=1.2。μf為考慮風速脈動影響及水平相關特性的無量綱修正系數，根據不同的地表粗糙類別，按表3取值：
在風攻角-3≤α≤＋范圍內，顫振臨界風速必須滿足以下準則；
Vcr≥[Vcr](13)
式中：Vcr為橋梁顫振臨界風速（m／s）。
本條文采用的顫振檢驗風速的表達式和日本《本州四國聯絡橋抗風設計指南》以及日本的一些其他橋梁的抗風設計指南在形式上是一樣的。由于采用的風譜以及地表粗糙度值有所不同，日本《本州四國聯絡橋抗風設計指南》給出的顫振檢驗風速修正系數μf的取值比本條文要稍微小一些，但日本的設計基準風速的重現或為150年，其總體的結果與本條文接近。
英國BS5400E規范采用在00風攻角時的檢驗風速基于為120年1min的最大風速值（與10min間的時距系數為對Ⅰ類地貌為1.1），其分項安全系數為：νfl＝1.38,νm＝1.05,νf3=1.1。在±2..50，折減系數為0.8。
丹麥大海帶橋規定的動力穩定性檢驗風速采用失效概率為Pf＜10-7的基準，從而得到在±30攻角范圍內的顫振檢驗風速為1.5Ud。
表4給出了按不同設計指南或規范所得到的鎮江揚州長江公路大橋南汊懸索橋的顫振檢驗風速值。可以看出按中國抗風設計規范約高于日本《本四指南》，但低于丹麥大海帶橋和英國規范的要求。
對于跨徑大于200m的橋梁，本規范還提出一個顫振穩定性驗算的分級規定，即按下式計算顫振穩定性指數If，并根據If所在的范圍按表5進行不同要求的顫振穩定性驗算。
(14)
式中：ft為一階扭轉頻率（Hz）；B為橋面全寬（m）。
對于跨徑大于200m的橋梁，當其顫振穩定性指數If＜2.5時，可按下式十分簡便地計算其顫振臨界風速：
五、施工階段的抗風對策
在大跨度斜拉橋或懸索橋的施工階段中，結構體系處于不斷轉換區尚未成型，可能會出現比成橋后更為不利的狀態：即剛度較小，變形較大，穩定性較差，甚至發生較大的風致振動響應的情況，其中穩定性問題也十分突出。
一般說來，大跨斜拉橋在最大雙懸臂狀態和最大單懸臂狀態的顫振穩定性比成橋狀態要好。在最大雙懸臂狀態，主要會發生圍繞橋塔的橋平面外的水平擺動以及平面內的豎向"翹翹板"振動，在橋塔中產生較大的內力，設置輔助墩或采用臨時墩來減小懸臂長度是常用的方法；在最大單懸臂狀態，強風作用下主梁的側向和豎向抖振產生的慣性力較大，若振動不能接受，可以通過設置阻尼器以及臨時風纜等方法來抑制振動。
懸索橋在安裝初期的結構抗扭剛度主要由主纜提供，其扭轉頻率隨主梁拼裝長度的增加而增加。分析和風洞試驗表明，當橋面拼裝車在10％～40％之間為最不利的狀態，存在一個抗風穩定性的低谷，大跨度懸索橋主梁拼裝的抗風低谷應避開大風期。若不能避開，可采用不對稱施工方法，即不從中央對稱拼裝，而是偏高中央一定距離開始拼裝主梁，待達到一定長度后再進行對稱施工，風洞試驗表明該方法可以有效地提高顫振穩定性。
六、大跨橋梁的抗風設計對策
大橋工程的挑戰性主要表現在團跨度的超大化所帶來的結構非線性航風穩定性、施工控制、拉索振動控制，超高橋塔的抗震，以及50m以上的超深水基礎和軟土錨碇等難題。
江陰長江大橋和南京長江二橋的建成提供了建造大跨度橋梁的實踐經驗，使我們樹立了自主建設更大跨度的橋梁的信心，但面對超深水基礎，千米以上的斜拉橋和2000m以上的懸索橋，我們必須做好充分的技術準備，迎接巨型工程的挑戰。
從大橋抗風研究的角度看，對于千米級的斜拉橋如采用斜索面和流線形扁平箱梁的布置已能提供100m/s以上的臨界風速，在東南沿海包括香港在內的所有地區都能滿足成橋后抗風要求。主要是注意通過臨時措施解決施工階段的抗風問題。
對于剛度相對較小的懸索橋，必須認真地考慮各種改善氣動性能的導流措施以便同時解決顫振、渦振，斜振等各類風致振動問題。1500rn以上跨度的懸索橋可能還要考慮采用中央開槽的分離箱斷面以及增加交叉索形成空間索網等措施以提高結構的剛度和氣動性能，滿足抗風要求。這也是發達國家為解決世界跨海工程的抗風能力正在研究而尚未實踐的課題。如主跨3300m的意大利墨西拿海峽大橋，日本第二國主軸線上主跨2500m的跨海大橋，跨越直布羅陀海峽的多跨3000m的連續懸索橋方案以及印度尼西亞跨海峽的2300m協作體系方案等。
七．結語
我國近年來在橋梁工程方面取得了全世界矚目的發展，同時也為橋梁抗風的研究提供了機會。在總結全國幾十座大跨橋梁的抗風研究基礎上，我們編制了我國第一部《公路橋梁抗風設計規范》，該規范的問世將為橋梁工程師在橋梁抗風設計方面提供依據。我們真誠希望橋梁工程師在使用該規范中發現的問題隨時反饋給編寫部門，并給研究部門提供更多的合作機會進行大跨橋梁方面的抗風研究，以便積累經驗，使這一規范不斷完善，為我國的大橋建設作出貢獻。
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