大跨度桥梁如何来抗风？来看看前辈设计实例……

虎门大桥，是我国桥梁工程学科创始人、同济大学校长李国豪，与葛耀君教授的导师、中国桥梁抗风研究的开拓者项海帆院士参与建造的。

2021年 5月5日15时，连接珠江两岸的广东虎门大桥发生异常抖动，桥面晃动幅度较大，肉眼可见。15时20分，虎门大桥开始实行双向全封闭，禁止车辆通行。

据专家 介绍， 虎门大桥采用的是流线型的断面设计，本身的风阻较小，发生涡振的概率也比较小。 虎门大桥主跨888米，涡振峰值数据大概是50厘米。此次涡振振幅小于限值， 不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性。

涡振是一种限幅振动，不能无限发散。而且，因为长跨度桥梁的固有频率往往较低，涡振通常也只会在风速不大的情况下发生。 不过，桥梁涡激的有限振幅到底是多少，目前国内外还没有形成一套比较完整的分析理论。学术界也仅对圆柱等少数形状经过反复实验后形成较为精确的公式。在实际设计建造桥梁时，采用一种半理论半实验的方法进行近似估算。

在这里介绍一下桥梁的组成。桥梁一般可以分成三种结构，或者说由三个部分组成。

最主要的部分我们把它称为桥梁结构，它是跨越障碍物的一个结构通道。为了支撑这样的一个结构通道，我们需要在障碍物的两边和通道结构的下方有一些支撑，这样的结构我们叫桥梁基础，或管它叫桥墩或者桥台。

除此之外，为了方便通道结构的使用，我们在上面还有一些所谓的桥面设施，它包括了栏杆、照明、交通标志、标线等等。这样就组成了我们一座完整的桥梁。

如果按照桥梁结构的受力情况，我们可以把桥梁分成四种类型。它包括 梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥 。

四种类型的桥梁

其中梁桥的跨越能力最小，大概300米。拱桥的跨越能力稍微大一点，500米。斜拉桥的跨越能力更大，1000米。悬索桥的跨越能力是最大的，目前已经达到了将近2000米。

如果是自然灾害，又如何来避免呢？特别是像大风，像台风，像飓风，一座大跨度的桥梁又如何来抵抗呢？我们下面来看看1940年秋发生在美国华盛顿州塔科马大桥的可怕事件。

1940年秋发生在美国华盛顿州塔科马大桥的可怕事件

在一场不是非常大的八级大风的作用之下，塔科马大桥发生了强烈的震动，并且振动的振幅不断增大，最后导致整个桥梁上部结构的垮塌，震惊了全世界，从此也揭开了桥梁抗风研究，后来又发展成为风工程研究的序幕。

桥梁抗风

那么为什么会有这样的一个灾难的发生？当桥梁结构的跨度达到一定程度的时候，自然风就会激起桥梁结构的振动。这种振动的形式主要表现为三种，它包括竖向弯曲振动、扭转振动和侧向弯曲振动。

但是要命的或者说引起塔科马大桥垮塌的恰恰是这样的一种振动，我们把它称之为颤振，它的振幅是会随着时间的变化不断增长的。

风致振动除了我们讲到的 颤振 之外，还可以表现为 涡振 和 抖振 另外两种形式。我们首先来举一个例子。

比如大家熟悉的上海卢浦大桥。上海卢浦大桥的跨径是550米，它把封存了30多年拱桥跨度的世界纪录给刷新了。前一个世界纪录是513米，在美国Bayonne Bridge。那么这个是550米，因此在这样的一座桥梁中间一定有许多创新，当然它也获得了许许多多国内外的奖项，就不列举了。

上海卢浦大桥

上海卢浦大桥的抗风设计

大家可以看一下这是一个卢浦大桥的拱肋,它近似于一个矩形的断面，所以我们在学术上面把它称为是不锋利的刀一样的非常钝的钝体，当然是相比于我们所谓的流线体。

为了克服这样的钝体所产生的涡振，我们想了好几种办法，然后我们根据数字分析以后发现，最后一种办法它的效果是最好的，我们把它称为隔流板。

为什么隔流板的效果会好？在没有加隔流板的钝体上产生上下两个大涡，最后合成了一个更大更强烈的涡，使得这两片拱肋发生振动，我们叫涡激振动得以激发。

有无隔流板的对比

  

那么我们加了这片隔流板以后情况是什么呢？尽管仍然有两个涡，但是上下两个涡 合 成一个更大的涡，而且上面的涡顺时针旋转，下面涡逆时针旋转，一部分抵消了它的涡振振动。

正是由于这样的一个机理和发明，才使我们做出了对于桥梁技术的一大创新，并且这样的技术后来又在广州新光大桥和肇庆西江特大桥得到了非常好的应用。

第二个例子是舟山大陆的连岛工程。在舟山大陆连岛工程中间一共有五座桥梁，其中我们要讲到的这座桥梁就是连接金塘岛和册子岛的西堠门大桥。舟山西堠门大桥由于它要跨越非常深的水道，并不是为了通航。

舟山西堠门大桥

舟山西堠门大桥的抗风设计

我们需要把这个跨径做得非常大，根据当时全世界所具有的经验，中国的润扬长江大桥的跨度是1490米，颤振临界风速只有52米/秒。而丹麦的大海带大桥是1624米，它的颤振检验风速是65米/秒。而我们西堠门大桥的跨度是破纪录的1650米。

由于桥位所在的位置地处我国东南沿海台风频发地区，所以它的设计风速特别得高，达到了78.4米/秒，实际上是78米/秒。它也创造了当时世界上所有已经建造的桥梁抗风的纪录。

为了解决这样的一个问题，我们提出了在原来的整体箱梁的中间开一个槽，使得它变成了一个分体的箱梁来抵抗风荷载的作用。然后我们通过大量的风洞试验，证明中间槽的宽度6米和10.6米都可以满足要求。

我们最后选择了比较经济的中间6米槽宽的分体式的钢箱梁，解决了抗风的问题。而这项技术在四年以后又被韩国的李舜臣大桥所采用，最近丹麦有一座跨海桥梁也将采用这样一项技术。

港珠澳大桥

这只是非常简单地列举了两个我们所谓抗风中间的技术创新，那么大家肯定会问，刚才我提到了港珠澳大桥，为什么不讲讲港珠澳大桥的抗风呢？

港珠澳大桥实际上是由三个斜拉桥所组成， 对大桥非通航孔桥，采用基于橡胶隔震支座和摩擦摆隔震支座的隔震技术，有效降低了桥梁的地震响应；对通航桥采用黏滞液体阻尼器减震优化设计，减少了在地震作用下桥塔底部和桥墩底部的内力响应。 塑性铰设置在桥墩上部,减少海上桥墩检修难题； 解决了减隔震装置在海洋环境下的耐久性问题； 确定了减隔震装置防台风初始刚度，保证 大桥按120年设计寿命能够抵抗8级地震、16级台风 。

桥梁风工程对台风、山区风和特异风等风特性的认识还远未成熟，需要风工程研究者通过长期、大量的现场实测，在掌握第一手资料的基础上获得对风特性的深入认识，为桥梁抗风设计理论提供更为可靠的依据。

超大跨度桥梁和海洋桥梁的发展，要求抗风设计理论不断创新，非线性和紊流对桥梁风致响应的影响越来越不能忽视，传统的偏于保守的某些设计准则也需要改进；还需要发展更为经济有效的风振控制技术、开发更为优良的桥梁气动外形及结构形式，以适应超大跨度桥梁的发展。