特大跨度橋梁，尤其是懸索橋，是今后跨越海上深水通道或主航道的主要結(jié)構(gòu)形式之一。其橋梁結(jié)構(gòu)細長，為迎接未來海上通道工程建設的挑戰(zhàn)，除地震以外，有必要就風致振動、車橋振動和人致振動等多種振動問題和對策方案開展超前研究。
建立顫振設防新標準
1940年，美國建成不到3個月的懸索橋——舊塔科馬橋在8級大風中垮塌（見圖1），震驚了全世界。恰有學者用攝影機記錄了大橋被風吹至大幅扭轉(zhuǎn)振動直至垮塌的完整過程，從而確認這是一種風致顫振現(xiàn)象。經(jīng)航空學者與橋梁學者的通力合作，逐步建立了橋梁的風致顫振理論，不但可以解釋舊塔科馬橋的垮塌原因，而且指導了后續(xù)橋梁的防顫振設計工作。
圖1 舊塔科馬橋垮塌后狀態(tài)
現(xiàn)行顫振設防的弊端
現(xiàn)行抗風設計規(guī)范的顫振設防規(guī)定式：橋面設計檢驗風速<顫振臨界風速。
這一規(guī)定的內(nèi)涵是，對于一座特定的橋梁，當風速超過某個特定值后，以扭轉(zhuǎn)為主要特征的橋梁風致振動幅值會不斷增加，直至橋梁垮塌，這個特定風速就是所謂的“顫振臨界風速”。如果所設計的橋梁滿足現(xiàn)行顫振設防規(guī)定式，就意味著該橋在設計壽命期內(nèi)不會遇到超過顫振臨界風速的大風，也就不會有發(fā)生顫振垮塌的危險。顫振臨界風速對應于結(jié)構(gòu)風致振動的動力學方程的線性穩(wěn)定特征值，具有明確的數(shù)學意義和很大的安全儲備；并且不需要研究顫振后狀態(tài)，而是完全建立在結(jié)構(gòu)小振動的理論體系上，理論分析和風洞試驗都很容易實現(xiàn)。目前的現(xiàn)代三維顫振理論體系已經(jīng)可以準確預測任何形式橋梁的顫振臨界風速，70年來，已經(jīng)在世界橋梁建設中完全杜絕了橋梁發(fā)生顫振失穩(wěn)的可能性。
但目前的顫振設防規(guī)定式存在一個重大的弊端，即沒有考慮橋梁進入顫振后的真實狀態(tài)，在本質(zhì)上不允許橋梁發(fā)生顫振，這是一個非常高的要求。特大跨度懸索橋要滿足這一要求，不僅需要大幅度增加建橋成本，而且將成為今后進一步提高橋梁跨徑的主要制約因素。
日本明石海峽大橋為滿足顫振設防要求，進行了多種斷面選型和氣動措施的研究，最后用14m高的桁架再加上下穩(wěn)定板才達到顫振臨界風速大于78m/s的要求(見圖2)。中國西堠門大橋主橋為兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋，公路四車道, 主跨1650m。為滿足顫振設防要求，采用了分離雙箱結(jié)構(gòu)的加勁梁(見圖3)，使得全橋?qū)挾葹榇嗽黾恿?m，并且分離雙箱結(jié)構(gòu)易導致風致渦激振動出現(xiàn)。籌建中的意大利墨西拿海峽大橋全長3666m,主跨3300m，塔高382.6m(由海平面計起)。為滿足顫振設防要求,采用了分離三箱結(jié)構(gòu),使得橋?qū)掃_到61.8m,而且每個單箱都是流線型斷面設計(見圖4)。
圖2 明石海峽橋加勁梁斷面
圖3 西堠門橋加勁梁斷面
圖4 墨西拿橋加勁梁斷面
可以設想，在今后海上大通道的建設中，如果遇到橋梁跨度更大，顫振臨界風速比80m/s更高的情況，現(xiàn)行顫振設防規(guī)定將對懸索橋的設計帶來極大的困難，或者是成本的巨幅增加。面對這一難題，有必要對1940年舊塔科馬橋的墜毀過程進行重新審視，深化顫振問題的思考。
開展顫振新研究的意義
現(xiàn)有顫振理論認為超過顫振臨界風速后，橋梁扭轉(zhuǎn)振動的振幅會快速并不斷增加，直至橋梁垮塌。實際的橋梁結(jié)構(gòu)在風速超過臨界風速后，振動狀態(tài)遠比數(shù)學意義上的線性失穩(wěn)要復雜得多。以舊塔科馬橋顫振為例，8級大風持續(xù)了3個多小時，最后一個多小時，扭轉(zhuǎn)振幅穩(wěn)定在19度沒有繼續(xù)增加，如圖5所示。不幸后來跨中短吊桿疲勞斷裂， 才導致加勁梁垮塌。因此早有學者認為，如果沒有短吊桿斷裂這一因素，也許舊塔科馬橋能躲過這一劫。
圖5 舊塔科馬橋顫振最大振幅19度
本文作者認為，風速超過顫振臨界風速以后，至少有如下兩個因素會影響超臨界顫振狀態(tài)的振幅增長：
1.當振幅增加后，結(jié)構(gòu)阻尼也會增加，甚至進入大量耗能的彈塑性狀態(tài)；
2.振幅增大以后，氣流產(chǎn)生的空氣動力學荷載也在變化，氣流與橋梁之間的能量交換的形式和比例都可能發(fā)生變化,也許有辦法引導這一變化向?qū)蛄河欣姆较虬l(fā)展。
作者推測的橋梁顫振過程中的兩條風速-振幅曲線如圖6所示，第一條是按照線性失穩(wěn)理論，風速大于顫振臨界風速后，橋梁振幅會快速不斷增加，直至橋梁垮塌，曲線只有一個拐點。第二條是考慮大振幅狀態(tài)下的上述阻尼和氣流變化因素，認為經(jīng)過第一拐點后，振幅的增加不會那樣快，并且有可能存在第二拐點。
圖6 橋梁超臨界顫振狀態(tài)的風速-振幅曲線
依據(jù)超臨界顫振狀態(tài)設防
風與地震不同，風可以準確預報和提前預報，而連續(xù)臺風的可能性幾乎沒有，這些有利條件使得按超臨界顫振狀態(tài)的風速-振幅曲線將顫振設防檢驗風速成為可能,即由圖6中第一拐點移至第二拐點之后。附加條件是只要能夠保證當橋梁處于超臨界顫振狀態(tài)時,主結(jié)構(gòu)足夠安全,但允許若干非主結(jié)構(gòu)部件在顫振超臨界狀態(tài)損壞,并可快速修復。
要實現(xiàn)上述新的顫振設防規(guī)定，需要橋梁風工程學界進行深入細致的理論研究和技術(shù)開發(fā)工作。在理論上，要具備對特定的橋梁結(jié)構(gòu)進行超臨界顫振狀態(tài)的準確分析能力，確定第二拐點位置與對應的橋梁應力狀態(tài)；在技術(shù)上必須掌握可靠與可行的措施，提高橋梁在大振幅條件下結(jié)構(gòu)阻尼，從而可以設計和控制顫振超臨界狀態(tài)，例如將顫振超臨界狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)振幅控制在加勁梁不發(fā)生塑性變形的限度以內(nèi)。因此，需對非定常氣動力隨振幅增加而變化的過程與它的數(shù)學描述，結(jié)構(gòu)阻尼隨振幅增加的變化規(guī)律， 增加結(jié)構(gòu)阻尼的手段與優(yōu)化設計，結(jié)構(gòu)大變形、彈塑性與非線性空氣動力荷載的三重非線性耦合的顫振全過程分析，與上述研究相應的實驗模型與實驗方法研究等部分進行深入思考。
軸向振動的分類設防
車振與地震
車輛導至橋梁沿軸向振動的原因有兩方面：其一是全橋荷載沿橋軸向的分布不斷隨時間變化，導致橋梁端部的往復移動，速度很低，在1mm/s左右；另一方面是車輛剎車引起的振動，對大跨度橋梁而言，最大速度也不會超過10mm/s。由于在使用期內(nèi)橋梁沿軸向的往復運動一刻不停，即使平均速度僅為1mm/s，一小時的往復位移累計也有3.6m，且方向變化頻繁。
大跨度橋梁往往采用漂浮體系，地震作用下軸向振動響應特別顯著，軸向振動速度在10～1000 mm/s量級，比車輛引起的軸向振動幅值要大一到兩個量級。但地震作用時間短，即使是一次罕遇地震，往復位移累計也非常有限， 不會超過10米。
難以兼顧的阻尼器
從以上分析中可知，抑制車振時，阻尼器工作在0.5- 10 mm/s的低速段，要求阻尼器具有很大阻尼系數(shù)，才能在低速時產(chǎn)生足夠大的阻尼力，并且阻尼器的耐疲勞性能要好，才能適應頻繁往復工作的要求。另外，阻尼器降低地震響應的耗能效果主要體現(xiàn)在中、高速段，要求阻尼器行程大，且高速段阻尼力增加不可過快。地震是偶發(fā)事件， 因此要求阻尼器可靠性高但疲勞性能要求不高。
有專家提出，如果沿橋軸向安置的粘滯阻尼器可以達到速度指數(shù)為0.1的要求，即具有如下速度—阻尼力特性（見圖7）：
圖7 速度指數(shù)為0.1的速度—阻尼力曲線
同一阻尼器在理論上可以兼顧抗震和抑制車輛引起的順橋向振動兩項功能。但是，如果一個阻尼器在低速段也符合式（1）的速度-阻尼力特性，它將不能滿足規(guī)范要求的阻尼器在溫度變化時可以自由伸縮的條件，該條件要求在0.1 mm/s的慢速條件下阻尼力出力必須小于0.1A。可是按式（1）計算，速度指數(shù)0.1的阻尼器在0.1 mm/s速度時阻尼力就有0.40A，大大超過規(guī)范額定值0.1A。
實際上，即便目前市面上有廠家可以提供速度指數(shù)0.1 的阻尼器，也指的是該阻尼器在中、高速度區(qū)間的速度- 阻尼力曲線與式（1）的理論曲線后一段基本一致。粘滯阻尼器采用可壓縮硅油作為工作介質(zhì)，并且應施加一定的預壓力，在毫米級的速度區(qū)間的速度-阻尼力特性曲線難以測定。目前阻尼器廠家提供的阻尼力-速度曲線，是由若干試驗點的值擬合的曲線，最小速度試驗點一般在cm/s量級。
因此，用同一阻尼器，將難以兼顧車振與地震的不同要求。
分別設防
大型粘滯阻尼器只在地震作用下工作。這樣可延長它的使用壽命。在速度小于10mm/s時，阻尼器處于休息狀態(tài)，同時這也不妨礙溫度作用下橋梁自由伸縮；大于此速度后通過“安全帶機制”，進入減震工作狀態(tài)。
另設車振阻尼器抑制車輛和小地震產(chǎn)生的軸向振動。車振阻尼器與伸縮縫并聯(lián)安裝，可以采用新型表觀質(zhì)量阻尼器。它不僅具有很大阻尼系數(shù)，而且具備很大的慣性質(zhì)量，可以通過阻尼力和慣性力的組合，最大限度地降低車振對伸縮縫的沖擊作用。當遭遇大地震時，通過熔斷機制，讓表觀質(zhì)量阻尼器自動退出工作，這樣可以降低車振阻尼器對最大阻尼力的要求，進而降低成本。
我國正在從橋梁大國逐步向橋梁強國邁進，最大優(yōu)勢是已經(jīng)擁有一支完整且年輕化的的橋梁設計施工科研隊伍，可以承擔國內(nèi)外任何艱巨的橋梁工程。利用自身優(yōu)勢和“一帶一路”機遇，在橋梁設計理論、新型結(jié)構(gòu)與新施工工藝等方面作出具有引導世界橋梁發(fā)展的重要作用的重大創(chuàng)新成果，推動我國向橋梁強國更近一步。正是如此， 本文所倡導的顫振設防新標準研究便是希望我國能在橋梁設計理論領域取得一個具“引導”作用的新成果，為日后同領域內(nèi)的研究工作打下良好的基礎。
