大跨度桥梁抗风性能大幅提升

■本报记者 甘晓

舟山西堠门大桥——主跨1650米的世界上最大跨度钢箱梁悬索桥、苏通公路长江大桥——主跨1088米的世界上最大跨径的斜拉桥……近年来，我国建成了多项举世瞩目的重大工程。世界上跨度最大的10座悬索桥，我国有5座。

而由于地处太平洋西岸，全世界最严重的台风频繁袭击我国沿海地区，使我国成为世界上受风灾影响最严重的国家之一。

过去，对工程灾害风险评估与预测仍以经验统计推断为主，分析方法也仍然在线性或简化的非线性弹性、弹塑性范围内。在抗风灾领域，台风对工程的动力作用主要采用历史观测数据获得的统计规律来确定，对于缺少历史观测数据的地区则简单按照经验类比方法来确定，不能充分反映不同地区风环境的实际情况。

国家自然科学基金委员会资助的重大研究计划“重大工程的动力灾变”（以下简称“重大计划”）实施八年来，研究人员突破了大跨度桥梁抗风面临的瓶颈，提出了系列创新性的结构抗风理论和方法，促进了我国重大工程抗风水平的提升。

该重大计划项目群“大跨度桥梁风致灾变机理和控制”负责人、同济大学土木工程学院教授葛耀君告诉《中国科学报》记者，研究团队在重大计划的支持下，围绕大跨度缆索承重桥梁开展了风致灾变机理研究，完成了分离式双箱梁颤振机理及绕流特性研究及非线性涡激振动机理与效应研究。

研究团队首先对1940年美国旧塔科马大桥在低风速下发生振动而坍塌的事件从构件破坏的新视角进行了原因分析。“我们建立了二维主梁断面风致振动全过程的位移响应演变规律、三维桥梁结构的风致振动全过程数值模拟平台。”葛耀君介绍。研究发现，在事故当时的风速下，旧塔科马大桥结构出现了大幅风致扭转振动，导致风振破坏的是出现了吊杆拉断，加速了反对称扭转发散，这是事故发生的原因。

同时，针对西堠门大桥曾发生的复杂涡激振动，研究人员开展了精细化的风洞实验，通过对振动相应、涡脱频率及流场可视化的分析，研究了以西堠门大桥为代表的超大跨度桥梁主梁断面“分离式双箱梁”形式产生涡振的机制。

对风致灾变的控制方法，研究团队发展了“中央稳定板颤振气动控制”“检修轨道移位颤振气动控制”等方法。其中，中央稳定板可以改善闭口箱梁的颤振性能，其控制效果同时跟稳定板设置位置、稳定板高度相关。项目中，研究人员直接可视化地给出控制装置安装前后受影响的区域，以及该区域对颤振稳定性能的贡献。而利用检修轨道移位颤振气动控制时，研究人员发现，该方法不需要从外界输入能量，能极大减少作用于结构附近的涡旋，且对风向不敏感，对风致灾变控制作用十分有效。

此外，研究团队还发明了一种新的“电涡流调谐质量阻尼器”。他们通过优化磁路设计，将电涡流阻尼耗能效率提高了六至八倍，发明了为调谐质量减振器（TMD）提供阻尼的板式永磁体电涡流阻尼单元，创造了一种新的电涡流生成方式。在业内人士看来，这种独特的电涡流生成方式是该减震器的关键技术。

上述研究成果已经成功应用于大跨度桥梁中。“目前，我们的研究成果已经成功应用在西堠门大桥、东海大桥、赤石大桥施工期、厦深铁路榕江特大桥吊杆减振、绵阳一号桥人行桥减振、机场登机廊桥减振等一系列减振工程中。”对此，葛耀君颇为欣慰。