桥梁是如何抗风的？

作者：张雷

强风对人类造成的灾害在各种自然灾害中排在前三位之内，是发生很频繁的自然灾害。桥梁的风毁事故，从1818 年苏格兰的 Dryburgh Abbey 桥，到 1940 年美国的塔科马桥，先后有多座桥因风的作用而受到不同程度的破坏，其中 1879 年英国苏格兰 Tay 桥的倒塌造成了 75 人死亡的惨剧。

1879 年 5 月建成通车的英国泰湾桥（Tay Bridge），为高架单线铁路钢桥，建成 7 个月后，即被暴风将 13 联桁架梁吹倒，连同正在桥上行驶的一列火车也一起坠入河中，造成 75 名乘客遇难。事故使得风对桥梁的影响开始被人们重视，但限于当时的认识水平，尚停留在风压对桥梁结构静力作用的研究方面。

 

 

英国泰湾桥风毁

1940 年，美国塔科马桥（Tacoma Bridge）建成仅4个月后，在一次并不大的风中发生激振，钢板梁剧烈振荡扭曲了约 70 分钟，最终断裂倒塌，坠入河中。这次灾难震惊了当时的工程界，人们意识到悬索桥这类柔性较大的结构，其安全性与振动特性以及空气动力作用密切相关，而以往建立在静力风荷载概念上的认识已经不能保证这类结构的安全性。

 

 

美国塔科马桥风毁

塔科马桥风毁事故后，工程界开始重视并深入研究风对桥梁结构的动力作用。经过多年研究，认识到破坏的原因是由于加劲梁截面的气动外形不良及抗扭刚度太低所致。此后美国、日本修建的悬索桥采用抗扭刚度较强的钢桁加劲梁。

 

美国韦拉扎诺海峡大桥

英国工程技术人员则另辟蹊径，在为修建塞文桥（Severn Bridge）而进行的风洞试验研究中，找到了气动稳定性非常优越的扁平箱式加劲梁。这种截面形式类似鸟翅、鱼鳍或者飞机的机翼，具有较大抗扭刚度和良好的气动外形。塞文桥的加劲梁从传统形式的钢桁梁革新为抗风性能良好的流线型扁平钢箱梁，是桥梁史上的一次重大进步。

 

英国塞文桥及其主梁断面

由于桥梁结构的截面形状一般都不会象飞机的机翼那样具有平滑的流线形，因此桥梁结构风振是一种在近地风场中非流线形截面的气动弹性现象。如果再考虑上近地风特性的复杂性，则使解决桥梁风致振动问题具有很大难度而不能完全从理论上得到满意的解决。目前工程上往往借助风洞试验来进行桥梁风振问题的研究。

 

风洞试验示意图

所谓风洞，就是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟各种实体周围气体的流动情况，并能测量气流对实体的作用效果的一种管道状实验设备。风洞是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一，是研究飞行器、高耸建筑以及大型桥梁等空气动力学问题最基本的实验设备。

 

桥梁风洞试验

随着计算机技术的迅速发展，以及计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）理论的不断完善，在计算机上对复杂结构的空气动力学效应进行数值模拟分析成为可能，这就是数值风洞技术。数值风洞是在计算机上建立一个基于虚拟环境、集计算流体力学、可视化以及三维交互等功能于一体的虚拟风洞。通过软件的数值计算与分析处理，能够将结果形象、直观地显示出来。相比于传统的实物模型试验方法，数值风洞技术能够显著地节省试验费用、缩短设计周期，试验数据信息丰富，并能方便地模拟各种不同情况。

 

数值风洞分析

目前，桥梁结构的抗风措施主要有空气动力学措施和机械减振措施两大类。空气动力学措施是适当改变桥梁的外形布置或者加装风嘴、导流板、稳定板等导流装置，以及对人行道、栏杆、检修车轨道等附属装置的位置和形状作适当调整等，从而减轻桥梁的风致振动。机械减振措施包括各种阻尼器，如质量阻尼器（TMD）、油阻尼器、粘滞阻尼器、磁流变阻尼器等。

注：本文节选自作者著 《桥梁之道——中国哲学思想对桥梁工程的启迪》 （中国铁道出版社 2021 年出版）。