鄧惠斌 宋振輝 鞠鵬飛

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4月26日下午14時(shí)許，多位武漢的車主在微博上反映，鸚鵡洲長江大橋橋體如波浪般晃動(dòng)，感到頭暈，非常擔(dān)心橋梁安全。后經(jīng)橋管養(yǎng)單位召集設(shè)計(jì)單位和相關(guān)專家實(shí)地踏勘，認(rèn)為橋梁振動(dòng)系特定風(fēng)況引起，橋運(yùn)行正常安全。

專家的意見給大家吃了一顆定心丸，筆者更想借這個(gè)機(jī)會(huì)去了解一下橋梁發(fā)生大幅度振動(dòng)的誘因是什么。通過查閱相關(guān)資料和論文筆者得到了一些解答，在此與從事橋梁工程相關(guān)的各位同仁進(jìn)行探討交流。

導(dǎo)致橋梁發(fā)生大幅度晃動(dòng)的可能原因主要有兩種，一是橋面通行車輛激勵(lì)發(fā)生共振;二是自然環(huán)境作用產(chǎn)生的大幅度振動(dòng)。

共振指的是物體受到激勵(lì)振動(dòng)頻率與自身固有頻率接近時(shí)，發(fā)生的振幅增大的現(xiàn)象。自然環(huán)境下，其實(shí)“萬物皆在動(dòng)”，任何物體都會(huì)受到自然激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)，大部分振動(dòng)都很微弱，人體很難感覺到，共振因?yàn)檎穹�更大，人們更容易察覺。

共振現(xiàn)象在自然界中非常多，比如聲學(xué)常說的“共鳴”、電學(xué)上的振蕩電路以及人類和動(dòng)物的耳中基底膜共振等等。共振現(xiàn)象有利也有害，我國古代墨家就層利用共振現(xiàn)象制作了“共鳴器”用來偵探敵情，在同一個(gè)深坑里埋設(shè)兩只蒙上皮革的甕，兩甕分開一定距離，根據(jù)這兩甕的響度差來判別敵人所在的方向。共振大多時(shí)候是有害的，會(huì)引起機(jī)械或結(jié)構(gòu)很大的變形和內(nèi)部應(yīng)力，甚至造成破壞性事故。比如很有名的拿破侖行軍橋梁倒塌事故：19世紀(jì)初，一隊(duì)拿破侖士兵在指揮官的口令下，邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋�？熳叩綐蛑虚g時(shí)，橋梁突然發(fā)生強(qiáng)烈的顫動(dòng)并且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經(jīng)調(diào)查，造成這次慘劇的罪魁禍?zhǔn)�，正是共�?因?yàn)榇箨?duì)士兵齊步走時(shí)，產(chǎn)生的一種頻率正好與大橋的固有頻率一致，使橋的振動(dòng)加強(qiáng)，當(dāng)它的振幅達(dá)到最大限度直至超過橋梁的抗壓力時(shí)，橋就斷裂了。類似的事件還發(fā)生在俄國和美國等地。有鑒于此，所以后來許多國家的軍隊(duì)都有這么一條規(guī)定：大隊(duì)人馬過橋時(shí)，要改齊走為便步走。

橋上通行的車輛經(jīng)過橋面時(shí)，車輛自重對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成激振，同時(shí)如果橋面不平整，橋梁就會(huì)在車輛沖擊下產(chǎn)生振動(dòng)，這也是一種激振。若頻率接近橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率就易發(fā)生共振。

橋梁為了避免共振，在設(shè)計(jì)之初就規(guī)定了橋梁自振頻率的限值，用來預(yù)防車輛通過橋時(shí)產(chǎn)生共振，并在橋面伸縮縫處安裝平順的過渡裝置，減小橋面振動(dòng)。并設(shè)置各種類型的阻尼器來消耗掉振動(dòng)能量。

自然環(huán)境作用產(chǎn)生的大幅度振動(dòng)有幾種較常見的成因，一是地震作用，二是風(fēng)力作用，再就是風(fēng)雨振。地震作用顯而易見，橋梁墩柱或塔身傳導(dǎo)地震波到橋面，造成橋梁產(chǎn)生大幅度振動(dòng)。風(fēng)雨振則多出現(xiàn)在斜拉橋的拉索上，成因是雨水在拉索表面附著，迎風(fēng)后上水線(風(fēng)向與索截面的上切點(diǎn))發(fā)生的有規(guī)律振動(dòng)，由于拉索阻尼器的普及，這種振動(dòng)基本可以消除。最后也是最復(fù)雜的就是風(fēng)力作用，風(fēng)振主要是由于風(fēng)的動(dòng)力作用產(chǎn)生的。包括的現(xiàn)象有渦振、顫振、抖振和馳振。

渦振指渦激振動(dòng)是風(fēng)流經(jīng)過各種斷面形狀的鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)，在其斷面背后都有可能發(fā)生旋渦的交替脫落，產(chǎn)生交替變化的渦激力而引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。渦激振動(dòng)兼有自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的性質(zhì)，它是一種發(fā)生在較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動(dòng)。通常情況下，渦激振動(dòng)的振幅很小，但當(dāng)旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相接近時(shí)，流體與結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用引起渦激共振。

對(duì)照旋渦脫落現(xiàn)象，振動(dòng)的橋梁從流動(dòng)的風(fēng)中吸收能量，由此引起的不穩(wěn)定被稱為自激振動(dòng)或顫振。顫振是一種危險(xiǎn)性的自激發(fā)散振動(dòng)，其特點(diǎn)是當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速時(shí)，振動(dòng)著的橋梁通過氣流的反饋?zhàn)饔枚�不斷地從氣流中獲得能量，而該能量又大于結(jié)構(gòu)阻尼所能耗散的能量，從而使振幅增大形成一種發(fā)散性的振動(dòng)。對(duì)于近流線型的扁平斷面可能發(fā)生類似機(jī)翼的彎扭藕合顫振。對(duì)于非流線型斷面則容易發(fā)生分離流的扭轉(zhuǎn)顫振。顫振會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)散性失穩(wěn)破壞。盡管顫振是橋梁風(fēng)致振動(dòng)中最具危害性的現(xiàn)象，但只有精心分析與設(shè)計(jì)，輔以風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并采用提高主梁截面抗扭剛度等措施來提高顫振臨界風(fēng)速，就能避免這類現(xiàn)象的發(fā)生。目前，橋梁的顫振問題已基本得到解決。

抖振即邊界層分離或湍流激起結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)的不規(guī)則振動(dòng)。抖振的最主要例子是飛機(jī)的尾翼抖振。當(dāng)尾翼處于機(jī)翼、機(jī)翼—機(jī)身接合部或其他部件的尾流中時(shí)，尾流中的擾動(dòng)迫使尾翼作強(qiáng)烈的振動(dòng)。抖振可視為來流的脈動(dòng)成分引起的抖振力和紊流繞過結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生的脈動(dòng)力共同作用的結(jié)果。按來流的不同可分為：①上游臨近結(jié)構(gòu)物尾流引起的抖振;②結(jié)構(gòu)物后本身紊流引起的抖振;③大氣紊流引發(fā)的抖振。實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)中最為常見的是大氣紊流成分引起的抖振。

馳振一般發(fā)生在正方形、矩形、直角形等復(fù)雜不規(guī)則的非流線型截面的結(jié)構(gòu)中。馳振產(chǎn)生的機(jī)理是由于升力曲線具有負(fù)斜率，所以使得空氣升力具有負(fù)阻尼作用，從而使結(jié)構(gòu)能夠源源不斷地從外界吸收能量，從而形成類似顫振的發(fā)散振動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，馳振可以分為尾流馳振和橫流馳振兩種。尾流馳振是由繞過前方結(jié)構(gòu)的波動(dòng)性來流激發(fā)下游結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的不穩(wěn)定振動(dòng)。比如說斜拉橋的拉索、懸索橋吊桿最容易發(fā)生尾流馳振。橫流馳振是由升力曲線的負(fù)斜率所引起的發(fā)散性彎曲自激振動(dòng)。這種負(fù)斜率使得振動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)的位移始終與空氣力的方向相一致，結(jié)構(gòu)不斷從外界吸收能量，從而形成不穩(wěn)定振動(dòng)。橫流馳振一般發(fā)生在具有棱角的非流線型截面的柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，懸吊體系橋梁結(jié)構(gòu)中的拉索和吊桿最有可能發(fā)生橫流馳振。此外，對(duì)于寬高比較小的梁式鋼橋，高柔的大跨徑斜拉橋、懸索橋橋塔以及連續(xù)鋼構(gòu)橋在最大懸臂施工階段的主梁都存在著發(fā)生馳振發(fā)散的可能性。

以上就是對(duì)橋梁發(fā)生振動(dòng)的幾點(diǎn)原因闡述，實(shí)際上，橋梁本身受車輛行駛和環(huán)境振動(dòng)影響，無時(shí)無刻都在發(fā)生著振動(dòng)，只是大部分振動(dòng)的幅值并不大，某些環(huán)境激振造成的橋梁振動(dòng)明顯、幅值較大的現(xiàn)象，只要振動(dòng)幅度在橋梁設(shè)計(jì)允許撓度限值以內(nèi)，并不會(huì)造成結(jié)構(gòu)損傷。但長期的大幅度振動(dòng)會(huì)造成橋梁部件疲勞損傷，影響橋梁耐久性，對(duì)應(yīng)的，分析振動(dòng)成因，對(duì)癥用藥是可以解決橋梁大幅度振動(dòng)問題的，比如TMD阻尼器及粘滯阻尼器在橋梁上的應(yīng)用以及針對(duì)風(fēng)振的擾流板的設(shè)計(jì)都是切實(shí)有效的制振措施。

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