悬索桥主梁演进.docx

1、悬索桥主梁演进海黎吟风1:从塔科马到墨西拿一一回看桥梁空气动力学促进悬 索桥主梁的演进原创 2017-01 -05 廖海黎悬索桥作为跨越能力最强的桥式，不断实现更大的跨度，一 直是桥梁工程师追求的目标。 现代悬索桥发源于美国， 在旧塔科马海峡大桥（Old Tacoma Narrows Bridge ）之前，桁梁几乎是 悬索桥主梁（也称加劲梁）的标准形式。在 1931-1940年美国悬索桥的辉煌十年里建成的乔治.华盛顿大桥（跨度 1066m，桁梁高8.84m，1931年落成）、金门大桥（跨度1280m，桁梁高7.62m， 1937年）等均采用桁梁形式的加劲梁。桁梁具有较大的梁高， 从而为加劲梁提

2、供了较大的竖弯刚度和抗扭刚度， 但存在的不足是建筑高度及用钢量较大。 当时，美国设计师为了追求更好的经济性，在大跨悬索桥上开始尝试用更为纤细且节省钢材的钢板梁 代替桁梁。起先是著名桥梁设计师阿曼（ O.H.Ammann，他在设计纽约白石大桥（Bronx-Whitestone Bridge,1939 年建成）时， 采用了梁高为3.4m的钢板梁。接下来，设计大师莫伊塞夫在设 计旧塔科马桥时，更为大胆地将钢板梁梁高降低到 2.45m。不幸的是，设计师的大胆一旦超出了底线，自然界的报复便接踵而至。 这桥在通车仅三个月之后的一个大风天， 主梁经历数小时的持续振动，终于经不住折磨而坠入海中，当时的风力为八

3、级（19m/s）。 这个轰动工程界和社会的重大事件， 自然惊动了联邦政府。政府组织了由华盛顿大学工程学教授 Farquharson、著名流体力学家冯卡门（von Karman,钱学森、钱伟长的导师）和阿曼等人组成 的委员会进行调查和分析。事实上， Farquharson教授在大桥风振的过程中专门到了现场（不是为了去看热闹）进行实地考察， 这也为他其后的调查研究提供了第一手资料。莫非桥梁设计师的设计计算出了差错？经过专家复核，按照 当时的桥梁设计理论，设计师并没有搞错。不过，当时的设计理 论只是把风作为静力来考虑， 而未考虑风的动力作用。 冯卡门已 意识到风对桥梁的动力作用，他认为桥毁的原因是涡

4、流激振所致（空气动力学里著名的“卡门涡街”描述了物体后方涡流的特 征）。Farquharson通过风洞模型试验重现了旧塔科马桥的扭转 发散振动，从而揭示了桥梁风毁的真正原因，是一种比涡流激振 更具危害性的发散性风致振动颤振。 此前，人们已知道飞机超过一定速度（颤振临界速度）时，翅膀会发生颤振而折断。此 时才认识到，桥梁等土木工程结构在风作用下也会发生类似于飞 机翅膀的颤振。进行桥梁的抗风设计，首先要确保其颤振临界风 速大于某一风速标准（这标准与桥位气象条件有关，称为颤振检 验风速），以确保主梁在桥梁寿命期内可能出现的最大风力下， 不会发生颤振。那么，如何确定桥梁的颤振临界风速？哪些因素 会影响

5、桥梁的颤振临界风速？在设计时如何避免桥梁发生颤振？ 在这些问题得到答案之前，颤振这个恶魔暂时阻滞了工程师们建 造新的悬索桥的步伐，1940年之后的十几年里，世界各地鲜有 新的大跨度悬索桥建成。塔科马的悲剧引发了科学家和工程师从 1940年代至1950年代对桥梁空气动力行为的研究， 涉足其中的除了 Farquharson之 外，还有von Karman, Bleich ，Steinman等。随着研究的深入， 人们认识到，决定桥梁颤振性能的主要因素， 一个是主梁的抗扭刚度，另一个是主梁的气动外形。不幸的是，风毁的旧塔科马桥 在这两个方面都属于坏典型。 薄壁杆件理论告诉我们， 开口薄壁 杆的抗扭刚度

6、大大低于闭口薄壁杆。 旧塔科马桥主梁采用的钢板梁（图1），正是属于开口薄壁杆，它导致主梁的扭转固有频率 很低，进而造成很低的颤振临界风速。主梁的外形，贝V越是接近 于流线形越好，这会导致更好的空气动力性能 较小的自激气动力。旧塔科马桥主梁具有十分钝化的气动外形， 这导致风流经主梁以后，产生很大的空气漩涡，正是这种漩涡形成的负阻尼自 激气动力推动那根柔弱的主梁发生了大幅度扭转振动。 r4L2.451丄 丄 丄11.9 J图1旧塔科马桥主梁断面（单位：m）找到了病因，工程师们首先对已建成的悬索桥进行了调查研究。调查发现，此前已通车的多座悬索桥曾发生过风振。白石桥 经常发生小振幅的竖向振动，只不过其

7、振幅还不足以毁坏桥梁结 构。金门大桥也发生过非灾难性的竖向风致振动，最大振幅达3.5m。为了提高刚度，需要对悬索桥加劲梁进行加固。此前的桁 梁加劲梁通常没有下平联，相当于开口薄壁杆。加固的方法是， 在桁梁的低部增设下平联，这样使得加劲梁变成类是于闭口薄壁 杆的结构。对金门大桥等悬索桥都是这样进行加固的， 有些桥梁还对加劲梁竖弯刚度进行加强。 1950年在旧塔科马桥桥位上重建的第二塔科马桥（图 2），以及2007年紧挨该桥并行修建的 新桥，加劲梁均采用了设置下平联的桁梁，桁高达 10m图2 塔科马桥的历史演变1966年建成的塞文桥（988m梁高3.05m）是悬索桥发展史 上的一座里程碑。英国力学

8、家Scruton通过针对该桥抗风设计而 进行的大量风洞试验研究，首创了流线型钢箱梁（图 3）这种具有革命性意义的悬索桥主梁形式。 与传统的桁梁加劲梁相比， 流线型钢箱梁具有纤细的造型、 闭口薄壁杆的力学特性（抗扭刚度 大）和更为优良的空气动力学特性（风阻力小，颤振临界风速高）， 在经济上也更具竞争力（用钢量小）。从此，流线型钢箱梁成为 大跨度悬索桥主梁的流行形式，后来也为大跨度斜拉桥主梁所采 用。顺便提一下，Scruton对科学的一个重要贡献是，提出了气 动弹性力学中十分重要的物理参数 Scruton数，这与空气动力学纵观半个世纪以来，欧洲的大跨度悬索桥，除了位于苏格兰的欧洲首座超千米悬索桥福

9、斯桥（Forth Bridge ，1006m 1964年） 和美国人Steinman设计的葡萄牙4月20日桥（1014m 1966年） 之外，几乎清一色采用流线型钢箱梁， 最具代表性的是丹麦大贝尔特桥（Great Belt Bridge，1624m，1997 年，图 4），至今仍 保持流线型钢箱梁悬索桥的跨度世界纪录。 美国的设计师似乎更偏爱桁梁，当然，那些悬索桥大多年代久远，即使在美国最大跨 度悬索桥维拉扎诺桥（Verrazano Narrows Bridge，1280m 1964 年）建成时，流线型钢箱梁还未面世。日本的大跨悬索桥设计深 受美国影响。从第一座关门桥（712m 1973年），

10、到本四联络 线上的10余座大桥，都是桁梁悬索桥。当然，采用桁梁的一个 重要原因是，这些桥为了走火车而采用双层桥面。在中国，自上 世纪90年代开始建设大跨度悬索桥以来，沿海及跨越大江的悬 索桥基本上都用流线型钢箱梁， 其中最大跨度者是润扬长江大桥（1490m 2004年）；西部山区则多用桁梁做为加劲梁，其中最 大跨度者是湖南矮寨大桥（1176m 2012年）。正在建设中的武汉杨泗港长江大桥（1700m，由于交通需求而采用双层桥面的 桁梁加劲梁。图4大贝尔特桥为了连通西西里岛和大陆的陆路交通，意大利政府早就酝酿 修建一座跨越墨西拿海峡（Strait of Messi na ）的大桥。经过多次设计竞

11、赛和方案比选，最终确定的设计方案是一座跨度达3300m的悬索桥（图5）。抗风，无疑是能否实现这个跨度的技 术瓶颈。研究表明，流线型钢箱梁的抗风能力已远远无法满足这 座特大跨度桥梁的要求。通过风洞试验，人们发现，在流线型钢 箱梁上设置槽口，形成分体式箱梁，使得气流上下流通，能够显 著提高颤振临界风速。墨西拿大桥的设计师将主梁用两条槽口分割成三部分（图6），使颤振临界风速超过了 59m/s的颤振检验 风速，从而满足了抗风要求。后来，我国舟山西堠门大桥（主跨 1650m 2008年）为了满足极其严苛的抗风设计要求（颤振检验 风速78m/s），在国内首次采用了分体式钢箱梁。图5 墨西拿海峡大桥（规划）

12、图6墨西拿桥主梁断面（单位：m图7西堠门大桥令人遗憾的是，墨西拿大桥已完成了技术设计，但其建设却因财政原因被无限期搁置。 然而，这座仍在图纸上的宏伟工程已为桥梁设计师留下了许多宝贵的经验。 旧塔科马大桥的灾难催生了桥梁空气动力学（更广义地称为桥梁风工程学） 这门交叉学科，墨西拿大桥的设计经验则为特大跨度桥梁抗风设计开辟了新途。图8明石海峡大桥桥梁空气动力学助力悬索桥主梁形式的创新，使跨度不断实 现突破。那么，各种形式主梁悬索桥的抗风极限跨度是什么？从 实践经验看，桁梁悬索桥的最大跨度已达 1991（明石海峡大桥， 1998年），其颤振检验风速为78m/s。我国东南沿海的大跨度桥 梁，颤振检验风速往往达到 80m/s左右，对于采用流线型钢箱梁 的悬索桥，跨度超过1700m将很难满足这样高的抗风要求。 对于采用分体式钢箱梁的悬索桥，其抗风极限跨度则有望达到 5000m。作者简介：廖海黎，工学博士，教授，博士生导师，风工程四川 省重点实验室主任。中国土木工程学会桥梁分会风工程委员会第 四、五、六届副主任委员，中国空气动力学会风工程专委会、测 控专委会委员。从事桥梁风工程科研及教学近 30年。