第 1 章 緒論

1.1 大跨度橋梁發(fā)展概況
古代橋梁多使用天然的木材、藤條以及石材等作為建筑材料，橋梁形式多為簡(jiǎn)易的吊橋、簡(jiǎn)支梁橋和石拱橋等，這一時(shí)期的橋梁因建筑材料和科學(xué)水平的限制，橋梁跨度較小。近代橋梁是以 19 世紀(jì)中后期鋼材以及鋼筋混凝土的出現(xiàn)和應(yīng)用作為標(biāo)志，較以往的橋梁，其跨度明顯增加，可以增大至上百米，結(jié)構(gòu)形式也呈現(xiàn)多樣化，從一開(kāi)始的簡(jiǎn)支梁板橋和石拱橋發(fā)展至出現(xiàn)了鋼拱橋、斜拉橋和懸索橋等�，F(xiàn)代橋梁工程是以 20 世紀(jì)中后期預(yù)應(yīng)力技術(shù)以及高強(qiáng)鋼絲的出現(xiàn)和應(yīng)用作為標(biāo)志，德國(guó)工程師 Dishinger 就于 1956年在瑞典成功修建了世界上第一座現(xiàn)代化的斜拉橋（主跨 182.6m 的 Strjmsund橋），第一座現(xiàn)代化懸索橋則為 1903 年在美國(guó)建成的主跨 488m 的 Williamsburg橋，1930 年建成的主跨 1298m 的美國(guó)金門(mén)大橋是世界上第一座千米級(jí)的大跨徑橋梁。英國(guó)主跨 1410m 的 Humber 大橋，丹麥主跨 1624m 的大帶東橋均為橋梁建造史上里程碑式的橋梁工程，1997 年建成的主跨 1991m 的日本名石海峽大橋是目前跨度最大的橋梁。近二十年多年來(lái)，我國(guó)大跨度橋梁建設(shè)取得了飛速發(fā)展，主跨 1088m 的蘇通大橋和主跨 1650m 的西堠門(mén)大橋先后于 2008 年和 2009 年建成通車(chē)。隨著西部開(kāi)發(fā)進(jìn)程加快，一些跨越崇山峻嶺、深切峽谷的山區(qū)大跨度橋梁也相繼建成，如湘西矮寨大橋等。

隨著新材料的不斷涌現(xiàn)、橋梁計(jì)算理論的不斷完善以及施工機(jī)械和技術(shù)的改進(jìn)，21 世紀(jì)的橋梁將朝著輕質(zhì)、超大跨、高強(qiáng)度方向發(fā)展，譬如國(guó)外目前正在規(guī)劃的意大利墨西拿海峽大橋（主跨 3300m 的懸索橋）等[3][4]。國(guó)內(nèi)的國(guó)道主干線同江至三亞就有 5 個(gè)跨海工程[3]－渤海灣跨海工程、長(zhǎng)江口跨海工程、杭州灣跨海工程、珠江口伶仃洋以及瓊州海峽跨海工程，這些跨海工程就包含一批超大跨度橋梁工程。表 1.1～表 1.3 分別列出了世界范圍內(nèi)跨度排名前 5 的已建成的拱橋、斜拉橋和懸索橋。圖 1.1 給出了幾座典型大跨度拱橋、斜拉橋和懸索橋?qū)嵗?

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1.2 橋梁柔細(xì)構(gòu)件風(fēng)（雨）致作用研究
隨著橋梁跨度的不斷增大和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的推廣使用，橋梁主梁與構(gòu)件也趨于柔細(xì)化[4]，整體式大節(jié)段施工方法使得結(jié)構(gòu)阻尼進(jìn)一步降低。譬如拱橋中的吊桿、斜拉橋和懸索橋中的拉索和吊索等構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比都越來(lái)越大，即使以前作為大噸位構(gòu)件的主梁，隨著橋梁跨度的增大，其長(zhǎng)細(xì)比也大大增加。九江長(zhǎng)江大橋采用的 H 型吊桿其最大長(zhǎng)細(xì)比（桿件長(zhǎng)度與截面回轉(zhuǎn)半徑之比）達(dá)到了 64 左右[5]，南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋的箱型截面吊桿其最大長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到了 65 左右[6]。斜拉橋方面，目前國(guó)內(nèi)跨徑最大的蘇通大橋其最長(zhǎng)斜拉索達(dá)到 580m，其也為世界最長(zhǎng)的斜拉索，橫截面直徑為 0.12m 左右，長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到 9600，其箱型主梁的橫截面高為4m，主梁跨徑 1088m，跨高比達(dá)到 272。懸索橋方面，跨徑最大的明石海峽大橋其最長(zhǎng)的吊索將近 220m 左右[4]，吊索橫截面直徑只有 0.1m 左右，其長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到5500 左右，主桁架高為 14m，主梁跨經(jīng) 1991m，跨高比達(dá)到 142。國(guó)內(nèi)的西堠門(mén)大橋其最長(zhǎng)吊索的長(zhǎng)度為 170m，橫截面直徑為 0.088m，長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到了 3800 左右，其箱型主梁高 3.26m，主梁跨徑 1650m，跨高比達(dá)到 506。

橋梁跨度的增大帶來(lái)的重要影響之一就是主梁及柔細(xì)構(gòu)件的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)一步加劇。但由于認(rèn)知的限制，人們?cè)诤荛L(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)忽視了風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力作用，直至 1940 年美國(guó)的 Tacoma 懸索橋建成四個(gè)月后在 19m/s 的風(fēng)速下發(fā)生振幅達(dá) 45°的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)一個(gè)小時(shí)后倒塌，對(duì)橋梁工程界造成了極大的震驚，拉開(kāi)了橋梁風(fēng)工程研究的序幕。風(fēng)工程經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已形成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬四大類(lèi)手段來(lái)研究結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)各種振動(dòng)現(xiàn)象有了較清楚的認(rèn)識(shí)。然而，大風(fēng)一般伴隨著降雨，風(fēng)雨耦合作用相比風(fēng)單獨(dú)作用時(shí)對(duì)橋梁柔細(xì)構(gòu)件的影響有何不同，仍然需要進(jìn)一步的研究和分析。以下將從風(fēng)單獨(dú)作用和風(fēng)雨耦合作用兩個(gè)研究領(lǐng)域分別歸納現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀。

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第 2 章 大跨度橋梁主梁風(fēng)雨作用效應(yīng)理論分析

2.1 引言

已有的研究表明風(fēng)雨耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在四個(gè)方面[15][79]：(1)雨滴作為一種離散的懸浮顆粒介質(zhì)分布于大氣中引起空氣密度的改變；(2)雨滴下落過(guò)程中會(huì)受到自身重力、空氣阻力、風(fēng)的輸送力等復(fù)雜作用力，其聯(lián)合作用會(huì)影響雨滴動(dòng)能，并對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沖擊荷載；(3)雨滴與結(jié)構(gòu)接觸后，一部分雨滴會(huì)粘附于結(jié)構(gòu)表面形成積水，另外一部分雨滴則會(huì)產(chǎn)生濺射，可能在結(jié)構(gòu)物表面周?chē)a(chǎn)生復(fù)雜的積水層及雨水粗糙層，從而影響斷面受到的三分力；(4)降雨造成積水造成附加重量，影響結(jié)構(gòu)受力特征。各作用因素往往相互耦合對(duì)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生影響，相當(dāng)復(fù)雜，須分別掌握上述各因素對(duì)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)的影響機(jī)理和規(guī)律，以便從本質(zhì)上了解風(fēng)雨耦合作用特點(diǎn)，為后續(xù)試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

盡管已有學(xué)者對(duì)降雨對(duì)橋梁主梁的靜動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行了一定的研究，但并沒(méi)有明確降雨對(duì)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理。降雨是由直徑大小不同雨滴組成，直徑過(guò)小的雨滴以雨霧形式改變空氣表觀密度，大直徑雨滴則對(duì)主梁產(chǎn)生直接沖擊作用，為此可以認(rèn)為，降雨導(dǎo)致空氣密度改變以及降雨對(duì)主梁的直接沖擊效應(yīng)代表了這一荷載效應(yīng)的上下限。為分析降雨對(duì)主梁的作用效應(yīng)，本章首先回顧了雨滴的幾何外形、粒徑分布、運(yùn)動(dòng)軌跡和降落速度等降雨的關(guān)鍵特征參數(shù)。然后依據(jù)上述特征參數(shù)分析了雨滴引起的空氣密度變化、雨滴對(duì)單位結(jié)構(gòu)表面積的雨滴沖擊力，給出了簡(jiǎn)化的雨滴沖擊荷載實(shí)用計(jì)算公式。最后對(duì)降雨引起結(jié)構(gòu)物表面積水和粗糙層厚度做了理論分析，通過(guò)對(duì)比不同理論和經(jīng)驗(yàn)公式，探討了其各自的合理性和適用于工程計(jì)算的實(shí)用公式，歸納了降雨對(duì)主梁振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。

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2.2 降雨基本參數(shù)
無(wú)論是模擬降雨進(jìn)行試驗(yàn)還是理論分析降雨的作用效應(yīng)，首選須要掌握天然降雨的基本特征。很多學(xué)者對(duì)天然降雨的主要特征進(jìn)行了研究，這些特征為降雨量和降雨強(qiáng)度、雨滴直徑大小及分布特征（雨滴譜）、雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡和終點(diǎn)速度等。
2.2.1 降雨量和降雨強(qiáng)度
我國(guó)氣象部門(mén)對(duì)降雨強(qiáng)度的劃分一般采用長(zhǎng)時(shí)間（天、月或年為統(tǒng)計(jì)時(shí)間）的統(tǒng)計(jì)平均值[120]。但對(duì)于工程結(jié)構(gòu)而言，最為關(guān)心的是降雨在短時(shí)的雨強(qiáng)極值，上述劃分顯然不具合理性，任月明[121]、白海峰[122]等學(xué)者根據(jù)各地區(qū)大量的雨強(qiáng)統(tǒng)計(jì)資料總結(jié)了適用于工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的雨強(qiáng)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表 2.1 所示。
各地區(qū)的降雨量及降雨等級(jí)均不同。基于國(guó)家發(fā)布的《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》[123]，各地區(qū)及城市開(kāi)展了歷史暴雨強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析工作，建立了各自的暴雨強(qiáng)度公式及計(jì)算圖表，依據(jù)公式和圖表可以獲得各城市不同重現(xiàn)期任意時(shí)距下的降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。以《深圳市新一代暴雨強(qiáng)度公式及計(jì)算圖表》為例，表 2.2 給出了深圳市 6 個(gè)重現(xiàn)期 T（年）和 9 種特定的平均時(shí)距 t（分鐘）相互組合下的暴雨強(qiáng)度值。由表 2.2 可知 100 年重現(xiàn)期下的5min 統(tǒng)計(jì)時(shí)距的暴雨強(qiáng)度為 262.2mm/h。

風(fēng)雨耦合作用的研究可以分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)四種方法。目前雖已有相關(guān)風(fēng)雨耦合作用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料（譬如 Blocken[41]、Choi[43]、Baskaran[46]等學(xué)者），但由于受測(cè)試儀器和條件的限制、各測(cè)試因素存在不可調(diào)控的特點(diǎn)以及存在相關(guān)干擾因素，因此難以得到規(guī)律性成果。另外由于涉及到固-液-氣三相耦合加之雨滴形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，無(wú)法建立準(zhǔn)確的可得到精確解析解的風(fēng)-雨-結(jié)構(gòu)三相耦合運(yùn)動(dòng)方程，使得理論分析和數(shù)值模擬的難度非常之大，特別是風(fēng)雨耦合對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性的影響，更加無(wú)法靠上述兩種方法獲得其準(zhǔn)確的量化規(guī)律。而風(fēng)洞試驗(yàn)則具備上述各研究方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，相比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)其能夠很好的調(diào)控各試驗(yàn)參數(shù)，排除干擾因素，得到各試驗(yàn)?zāi)康南碌臏?zhǔn)確試驗(yàn)結(jié)果和量化規(guī)律，并且可實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)律。另外風(fēng)洞試驗(yàn)較之理論分析和數(shù)值模擬，能夠更加真實(shí)的模擬風(fēng)雨耦合作用現(xiàn)象，不需做出過(guò)多的不合實(shí)際的假設(shè)和忽略相關(guān)影響因素。

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第 3 章 大跨度橋梁主梁風(fēng)雨耦合作用試驗(yàn)研究 .......................44 
3.1 引言 ......................................................... 44 
3.2 風(fēng)-雨耦合作用的風(fēng)洞模擬試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā) ............................ 45 
第 4 章 大跨度鋼拱橋吊桿減振方法的研究與工程應(yīng)用....................92 
4.1 引言 ........................................................ 92 
4.2 電渦流 TMD 減振原理與參數(shù)分析 .................................. 93 
第 5 章 大跨度懸索橋吊索減振方法的研究與工程應(yīng)用.................... 117 
5.1 引言 ........................................................ 117 

5.2 多索股吊索的分隔器聯(lián)合索端阻尼器減振方法................. 118 

第 5 章 大跨度懸索橋吊索減振方法的研究與工程應(yīng)用

5.1 引言
隨著大跨度懸索橋的興建，吊索構(gòu)件的抗風(fēng)穩(wěn)定性開(kāi)始被廣泛關(guān)注，特別是在沿海、湖泊和山區(qū)峽谷這三類(lèi)強(qiáng)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，細(xì)長(zhǎng)吊索的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題已成為決定索構(gòu)件和橋梁整體使用壽命和行車(chē)安全的關(guān)鍵性問(wèn)題。相比主梁和剛性吊桿的單模態(tài)振動(dòng)為主的風(fēng)振形式，吊索的柔性特征決定了其動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)為機(jī)理復(fù)雜的多模態(tài)耦合振動(dòng)形式。而且目前有數(shù)量眾多的懸索橋采用多索股吊索的布置方式，多索股吊索相比單索股吊索由于近距離索股之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，其振動(dòng)機(jī)理尤為復(fù)雜，風(fēng)致振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為索股間互相碰撞（相對(duì)運(yùn)動(dòng)）與索股的同步運(yùn)動(dòng)，索的碰撞和大幅擺動(dòng)均會(huì)使其壽命大大折減和對(duì)通行者造成恐慌。
對(duì)于振動(dòng)機(jī)理復(fù)雜的多索股柔細(xì)吊索，單純使用上述一種減振方法難以達(dá)到抑振目的。譬如西堠門(mén)大橋的騎跨式吊索在未安裝減振裝置之前其吊索在各風(fēng)速區(qū)間下都出現(xiàn)了明顯的不同幅度的振動(dòng)，在 25m/s 的風(fēng)速下其長(zhǎng)吊索的跨中振動(dòng)幅度達(dá) 0.5m，造成碰索現(xiàn)象，后來(lái)通過(guò)在兩索端部位置安裝阻尼器減小了其小風(fēng)下的索振動(dòng)，但大風(fēng)下的碰索和大幅擺動(dòng)現(xiàn)象仍未消失，有待進(jìn)一步的深入研究更加合理的減振方案。丹麥的大帶東橋的平行雙索也出現(xiàn)了復(fù)雜的風(fēng)致振動(dòng)[118][119]，研究人員探索了多種抑振方法，最后采用分隔器聯(lián)合索端阻尼器的方式，遺憾的是其并未有文獻(xiàn)具體的報(bào)道此類(lèi)減振方法的有效性和相關(guān)機(jī)理分析。

本章以西堠門(mén)大橋的騎跨式多索股吊索為研究對(duì)象，通過(guò)參考丹麥大帶東橋的吊索減振措施-分隔器（去除相對(duì)運(yùn)動(dòng)）和索端阻尼器（減小整體運(yùn)動(dòng)）的聯(lián)合減振方法，通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法來(lái)驗(yàn)證此減振方法對(duì)減輕此類(lèi)多索股吊索復(fù)雜風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)的有效性，并給出相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果。

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結(jié)論與展望

本文主要結(jié)論

目前橋梁及其相關(guān)構(gòu)件正朝著大跨輕柔的趨勢(shì)發(fā)展，由此而帶來(lái)的各類(lèi)風(fēng)致以及風(fēng)雨耦合靜動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題變得愈發(fā)突出，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，本文基于理論分析、數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方式開(kāi)展了大跨度橋梁及其柔細(xì)構(gòu)件的相關(guān)風(fēng)（雨）致振動(dòng)問(wèn)題及其控制方法研究。得到了如下主要研究結(jié)論：

(1) 從降雨引起的空氣密度改變、雨滴的沖擊作用以及降雨在結(jié)構(gòu)表面的積水三個(gè)角度研究了風(fēng)雨耦合作用對(duì)主梁的影響。分析表明即使雨強(qiáng)達(dá)到超強(qiáng)暴雨時(shí)（1000mm/h），其引起的空氣密度變化率僅為 2%左右，其值可以忽略。通過(guò)對(duì)雨滴沖擊力的分析發(fā)現(xiàn)，即使雨強(qiáng)達(dá)到超強(qiáng)暴雨時(shí)（1000mm/h），其單位面積的豎向沖擊力僅為 2.5N/m2，幾乎可忽略，若風(fēng)速為 50m/s，則此時(shí)結(jié)構(gòu)單位面積的雨滴水平（順風(fēng)向）沖擊力，，其值約為 300N/m2。比較分析已有坡面積水厚度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式后認(rèn)為季天劍的試驗(yàn)回歸公式計(jì)算結(jié)果最為接近實(shí)際的主梁斷面坡面積水厚度，按照公式計(jì)算得到的水膜厚度相比實(shí)際主梁高度而言非常小，除雍水嚴(yán)重的特殊斷面外其對(duì)主梁外形的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)某接近實(shí)際橋梁主梁斷面尺寸的雙面排水矩形主梁斷面風(fēng)雨作用荷載進(jìn)行了分析，在 10m/s~20m/s 風(fēng)速下，強(qiáng)降雨沖擊力荷載相比單純風(fēng)作用下的氣動(dòng)阻力增加量可達(dá) 10%，降雨附加升力相對(duì)氣動(dòng)升力要比阻力明顯，但在高風(fēng)速下其影響均大為減小。通過(guò)對(duì)降雨下的主梁運(yùn)動(dòng)分析表明：對(duì)于對(duì)稱(chēng)積水的主梁斷面，降雨所做負(fù)功要大于其對(duì)運(yùn)動(dòng)主梁所做的正

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