悬索桥主梁演进.docx

海黎吟风1：从塔科马到墨西拿——回看桥梁空气动力学促进悬索桥主梁的演进原创?2017-01-05?廖海黎?悬索桥作为跨越能力最强的桥式，不断实现更大的跨度，一直是桥梁工程师追求的目标。现代悬索桥发源于美国，在旧塔科马海峡大桥（Old Tacoma Narrows Bridge）之前，桁梁几乎是悬索桥主梁（也称加劲梁）的标准形式。在1931-1940年美国悬索桥的辉煌十年里建成的乔治.华盛顿大桥（跨度1066m，桁梁高8.84m，1931年落成）、金门大桥（跨度1280m，桁梁高7.62m，1937年）等均采用桁梁形式的加劲梁。桁梁具有较大的梁高，从而为加劲梁提供了较大的竖弯刚度和抗扭刚度，但存在的不足是建筑高度及用钢量较大。当时，美国设计师为了追求更好的经济性，在大跨悬索桥上开始尝试用更为纤细且节省钢材的钢板梁代替桁梁。起先是著名桥梁设计师阿曼（O.H.Ammann），他在设计纽约白石大桥（Bronx-Whitestone Bridge,1939年建成）时，采用了梁高为3.4m的钢板梁。接下来，设计大师莫伊塞夫在设计旧塔科马桥时，更为大胆地将钢板梁梁高降低到2.45m。不幸的是，设计师的大胆一旦超出了底线，自然界的报复便接踵而至。这桥在通车仅三个月之后的一个大风天，主梁经历数小时的持续振动，终于经不住折磨而坠入海中，当时的风力为八级（19m/s）。这个轰动工程界和社会的重大事件，自然惊动了联邦政府。政府组织了由华盛顿大学工程学教授Farquharson、著名流体力学家冯卡门（von Karman，钱学森、钱伟长的导师）和阿曼等人组成的委员会进行调查和分析。事实上，Farquharson教授在大桥风振的过程中专门到了现场（不是为了去看热闹）进行实地考察，这也为他其后的调查研究提供了第一手资料。莫非桥梁设计师的设计计算出了差错？经过专家复核，按照当时的桥梁设计理论，设计师并没有搞错。不过，当时的设计理论只是把风作为静力来考虑，而未考虑风的动力作用。冯卡门已意识到风对桥梁的动力作用，他认为桥毁的原因是涡流激振所致（空气动力学里著名的“卡门涡街”描述了物体后方涡流的特征）。Farquharson通过风洞模型试验重现了旧塔科马桥的扭转发散振动，从而揭示了桥梁风毁的真正原因，是一种比涡流激振更具危害性的发散性风致振动——颤振。此前，人们已知道飞机超过一定速度（颤振临界速度）时，翅膀会发生颤振而折断。此时才认识到，桥梁等土木工程结构在风作用下也会发生类似于飞机翅膀的颤振。进行桥梁的抗风设计，首先要确保其颤振临界风速大于某一风速标准（这标准与桥位气象条件有关，称为颤振检验风速），以确保主梁在桥梁寿命期内可能出现的最大风力下，不会发生颤振。那么，如何确定桥梁的颤振临界风速？哪些因素会影响桥梁的颤振临界风速？在设计时如何避免桥梁发生颤振？在这些问题得到答案之前，颤振这个恶魔暂时阻滞了工程师们建造新的悬索桥的步伐，1940年之后的十几年里，世界各地鲜有新的大跨度悬索桥建成。塔科马的悲剧引发了科学家和工程师从1940年代至1950年代对桥梁空气动力行为的研究，涉足其中的除了Farquharson之外，还有von Karman，Bleich，Steinman等。随着研究的深入，人们认识到，决定桥梁颤振性能的主要因素，一个是主梁的抗扭刚度，另一个是主梁的气动外形。不幸的是，风毁的旧塔科马桥在这两个方面都属于坏典型。薄壁杆件理论告诉我们，开口薄壁杆的抗扭刚度大大低于闭口薄壁杆。旧塔科马桥主梁采用的钢板梁（图1），正是属于开口薄壁杆，它导致主梁的扭转固有频率很低，进而造成很低的颤振临界风速。主梁的外形，则越是接近于流线形越好，这会导致更好的空气动力性能——较小的自激气动力。旧塔科马桥主梁具有十分钝化的气动外形，这导致风流经主梁以后，产生很大的空气漩涡，正是这种漩涡形成的负阻尼自激气动力推动那根柔弱的主梁发生了大幅度扭转振动。图1?旧塔科马桥主梁断面（单位：m）找到了病因，工程师们首先对已建成的悬索桥进行了调查研究。调查发现，此前已通车的多座悬索桥曾发生过风振。白石桥经常发生小振幅的竖向振动，只不过其振幅还不足以毁坏桥梁结构。金门大桥也发生过非灾难性的竖向风致振动，最大振幅达3.5m。为了提高刚度，需要对悬索桥加劲梁进行加固。此前的桁梁加劲梁通常没有下平联，相当于开口薄壁杆。加固的方法是，在桁梁的低部增设下平联，这样使得加劲梁变成类是于闭口薄壁杆的结构。对金门大桥等悬索桥都是这样进行加固的，有些桥梁还对加劲梁竖弯刚度进行加强。1950年在旧塔科马桥桥位上重建的第二塔科马桥（图2），以及2007年紧挨该桥并行修建的新桥，加劲梁均采用了设置下平联的桁梁，桁高达10m。图2??塔科马桥的历史演变1966年建成的塞文桥（988m，梁高3.05m）是悬索桥发展史上的一座