设计世界上最长的悬索桥时该如何应对空气动力问题

对更长、更耐久、更稳定、更经济的悬索桥的需要，迫使我们在桥梁设计中要更加重视空气动力稳定性方面的研究。最新的建筑规范、风洞和高级传感器技术都是这方面研究的必要工具。一个世纪之前，重力是当时桥梁工程师主要考虑的自然力。但随着城市的扩张，对更长、更耐用、成本更低桥梁的需求，使得结构力学和材料科学同样成为桥梁工程的重点，以便桥梁在重力作用下承受公路或铁路的荷载。对于不断突破更大跨度的悬索桥而言，对风的力学研究正在变得不容忽视。

谈到桥梁设计的演进，随着我们对结构工程理解的加强、工艺材料的发展，更高效、更合理桥型的相继出现。我们能够建成跨径更长的桥梁——悬索桥就是一个有利的佐证。一般的悬索桥由相对较少的构件组成: 由垂直吊索吊装的桥面板，吊索由主缆承载，用于承载公路和铁路交通。悬索桥一般有两个桥塔，用以支撑主缆到足够的高度，使主缆具有必要的承载力。悬索桥的简易性造就了它的经济高效，并赋予了这座桥修长、优雅的外观，就像公路漂浮在水面上一样。然而，所有的创新也都有代价。对于悬索桥来说，由缆索产生的高柔性结构使其易受到风的侵害。

规划桥梁的抗风性能需要进行严谨的空气动力学研究。在大型风洞中用微缩模型进行空气动力试验，模型需要再现原型桥的几何形状、刚度和质量等特性。风洞试验通常辅以计算机仿真技术以确定最佳的桥面几何形状。

强风导致的桥体扭曲运动可以使一座大桥在不到一小时的时间内完全垮塌。1940年，塔科马海峡大桥(Tacoma Narrows bridge)垮塌后，在桥梁工程中开始更多的采用风洞测试以全面检测风的影响。进一步看塔科马海峡吊桥坍塌事故，从事故中我们看到了风的潜在毁灭性，也得到了许多有价值的启发，增加了对新的、更先进的风洞测试技术的需要。风洞测量技术近年来发展迅速。在早期，我们只能在纸上记录一些位移模型的测量结果，并观察桥梁在风中如何位移。然而，传统的测量技术并不能提供我们真正想知道的数据——如空气动力荷载的分布，风与桥面结构的相互作用。

现在用电晶体和计算机技术已经能做出微压传感器，我们可以用它来实时测量瞬时压力，从而能绘制一张风在模型桥桥面上波动的详图。根据这些信息，我们可以改进设计，减少空气动力带来的不稳定。这是一个巨大的飞跃，也是过去20年发展起来的一项新技术，为建造更长、更稳定的悬索桥铺平了道路。

最近，我们在成都RCWE（西南交通大学风工程试验研究中心）的一个22米宽的风洞中对一座筹建中的破纪录悬索桥模型进行了风力测试。桥梁主跨2,023米，建成后将成为世界上最长的悬索桥。试验最重要的结果就是：由于桥面采用双主梁设计，该桥将有能力承受超过90米/秒的风力。您可能会问，90米/秒的空气动力稳定性实验是否足够高? 答案是：够！自有记录以来的最高风速是1996年热带风暴“奥利维亚”在澳大利亚巴罗岛以每秒113米、持续3秒。3秒的阵风非常短，不足以使一座大型悬索桥产生10到20秒的振动。如果把这个速度保守地降低25% 至87米/秒，还能在实验中通过考验，那么我认为，这座世界上最长的悬索桥（1915 Canakkale Bridge）已经能够经受住世界上任何风暴的袭击，我想这是一个合理的说法。（该桥为土耳其恰纳卡莱1915大桥，又名达达尼尔海峡大桥，设计主跨2023米，2023年通车。届时大桥将与马尔马拉高速公路南段、北段、Osmangazi大桥、伊斯坦布尔兹米特高速公路连接形成环线。）

作为这座大桥的抗风工程师，我感到自豪的是，我们能够抵御90米/秒的全风速，实验过程中没有发生空气动力不稳定的现象——这确实是悬索桥工程领域的胜利。由于经济原因，悬索桥的桥塔通常采用钢筋混凝土建造，但这一超大跨径悬索桥桥将采用318米钢桥塔，用来确保足够的抗震能力。钢铁制品在抗震方面效果良好，但从空气动力学的角度来看，桥塔重量将变得很轻，如果不采取任何改进措施，桥塔的下部结构会在强风中左右摇摆，这将是所有桥梁工程师的噩梦。

为了解决桥塔挠度和重量轻的问题，工程师们将目光投向了建筑领域-509米高的台北101大楼。这座台湾高层建筑建在一个多风且地震极活跃地区，因此大楼装备了一个660吨的钢钟摆，作为一个调谐质量阻尼器以减轻因风引发的结构运动。台风或地震引发的任何建筑物的位移都将使悬挂的平衡块产生振荡，从而吸收能量，使大楼得以稳定，不至于产生大幅振动。而我们这座新桥的设计方案也采用了同样的方法。通过在每个塔腿内增加一个25吨的悬置平衡对重装置,使轻质的钢塔能够抵御强风带来的结构振动。

结合当今的计算机技术，我们可以精确的计算出桥梁构件的空气动力学性能。基于这些计算，我们将通过风洞测试确定一个或两个设计方案。同时桥梁的设计速度得到提高，只需短短几天，你就可以设计出几个模型。一周以内，就可以了解它的空气动力性能。在风洞中，对每个设计方案进行全流程的研究也仅仅需要4-5周时间。总而言之，我们非常好的利用计算机技术缩短空气动力学研究的周期。这种趋势在未来也将一直持续的发展下去。

全球变暖将导致世界海洋平均温度的持续升高。这将为中国南海的台风和加勒比地区的飓风的注入更多能量。全球变暖这一趋势将增加东北太平洋地区台风的平均风速，从现在的55m/s到接近63m/s，2100年时最大风速将高达68m/s。这相当于在未来的85年里，平均风速将增长14%。（来源：斯克利普斯海洋研究所，加利福尼亚大学圣迭戈分校）很显然，在测试桥梁设计稳定性的时候，特别是设计寿命在100年以上的桥梁时，这一趋势不可忽略。

尽管风洞测试过程不受全球气候变暖的影响，但是你必须充分评估桥梁模型今后可能承受的最大风速。换句话说，风环境的变化需要在国家建筑标准中有所体现。因此，受未来气候变化的影响，风洞测试结果将非常有可能展示出几何设计的高度复杂性，我们也可以期待为保证桥梁的空气动力稳定性而研发的多种建筑材料。