近日，深圳355米高的賽格大廈連續(xù)發(fā)生晃動，有專家指出，可能是刮風引發(fā)大樓產生共振（渦振）。去年廣東虎門大橋懸索橋發(fā)生橋面晃動，也是由渦振現(xiàn)象引起的。事件也再次引發(fā)人們對“風致振動與高層建筑”的關注，風力如何引起高層建筑振動？

在西部山區(qū)，一座鋼桁梁懸索橋橫跨大渡河，在峽谷紊亂的風場中經受相當于12級臺風的瞬間風速。這就是被稱為“川藏第一橋”的雅康高速瀘定大渡河大橋。其主跨長達1100米、索塔高達188米，橋塔頂至水面高差達364米。該橋迄今已是通車運營第3個年頭，如何應對復雜的風場環(huán)境？

四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院參研的“西部大跨度山區(qū)橋梁風場特性、抗風關鍵技術及工程應用”技術，曾獲2020年度四川省科技進步一等獎。在經?？耧L大作的西部山區(qū)，如何確保大橋穩(wěn)穩(wěn)屹立？紅星新聞就此專訪了四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院。

▲雅康高速瀘定大渡河大橋

顫振和渦振：橋梁安全兩大“殺手”

參與研究的公司董事、副總經理蔣勁松從事橋梁設計30余年，曾任公司橋梁勘察設計分院總工程師。他向紅星新聞記者介紹，抗風設計主要運用于懸索橋和斜拉橋這樣的大跨度、相對柔性的橋梁。風力作用下產生的風致振動——如顫振和渦振，則是影響橋梁結構安全的兩大“殺手”。

顫振是大跨度橋梁在極端風速下可能出現(xiàn)的一種風致振動現(xiàn)象。在風場作用下，橋梁結構的振動行為與周圍風場的變化形成耦合，作為空間結構的橋梁系統(tǒng)，從流動的空氣中不斷吸收能量，從而出現(xiàn)發(fā)散性自激振動。顫振問題一直都是橋梁風工程研究的焦點。

這種不收斂的振動，是橋梁結構風致振動中最危險的振動形式。美國塔科馬懸索橋風毀事件便是典型的顫振破壞案例，致其像麻花一樣大幅扭曲，最終造成結構破壞并坍塌。

渦振則是大跨度橋梁在低風速下容易出現(xiàn)的一種風致振動現(xiàn)象。在風場作用下，當空氣繞流橋梁構件后，交替脫落的渦旋引起橋梁振動。由于渦振屬于較低風速區(qū)內的有限振幅振動，并非發(fā)散性振動，雖然對結構的安全影響較小，但是振動產生的不舒適感可能影響橋上車輛的行駛安全。另一方面，其日積月累的“疲勞破壞”也不容小覷！

▲雅康高速瀘定大渡河大橋，首次采用了鉸接式耗能型中央扣

抗風的三大“法寶”

洶涌的大渡河劈開橫斷山一脈，在二郎山與貢嘎山之間的崇山峻嶺中奔流不息，也在四川省雅安市天全縣與甘孜藏族自治州瀘定縣之間形成絕壁大峽谷。

蔣勁松告訴紅星新聞記者，與海面上的風幾乎平吹不同，大渡河峽谷之中氣象多變、風場紊亂，瞬間風速能達到32.6米/秒，相當于12級臺風風速。受復雜地形地貌影響，橋址區(qū)易出現(xiàn)大風攻角來流，也就是說風的來流方向與橋梁橫斷面所夾角度大。橋位處的來流主要是兩岸雪山和谷底之間的溫差形成的山風，山風大部分均是從上往下流動，從而使得橋位處的風攻角以負攻角居多。

除了大風攻角，大渡河橋址的風環(huán)境還具有大風向角、非均勻、非平穩(wěn)共四大特性，橋梁抗風問題突出。相關研究課題從2012年便開始啟動，利用了現(xiàn)場實測、風洞試驗、數(shù)值模擬三大手段。

在風洞試驗中，技術人員比照周圍18平方公里的區(qū)域做成1：2000的縮尺地形模型，放到西南交通大學的民用風洞里測試，以評判大橋的抗風性能。該風洞試驗將風攻角從通常的正負3度提升到正負7度。

▲雅康高速瀘定大渡河大橋，部分封閉中央開槽，并在橋面板中央上、下側設置穩(wěn)定板，進行氣動優(yōu)化

由于鋼桁架的桿件縱橫交錯，相互之間氣動干擾強烈且復雜。來流經過鋼桁架后，難以形成統(tǒng)一的漩渦脫落頻率，瀘定大渡河大橋在試驗風速范圍內沒有發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，也就是說實際結構發(fā)生渦振的可能性較低。

因而，設計人員將主要精力投向防顫振。面對“百年工程”的建設，他們試驗了幾十種措施，最后組合了試驗驗證最優(yōu)的方案，運用氣動措施、結構措施和機械措施三大“法寶”，以及防風預警，以保障結構抗風穩(wěn)定性和車輛行駛安全。

蔣勁松表示，其中最可靠的措施便是氣動措施。瀘定大渡河橋的設計采用了部分封閉中央開槽，并在橋面板中央上、下側設置穩(wěn)定板，進行氣動優(yōu)化。同時，還在側向風較大的區(qū)域防撞護欄上方設置了防風屏障，乃保證了橋上行車的安全性和舒適性。

在結構措施方面，不同于一般懸索橋，瀘定大渡河大橋首次采用了鉸接式耗能型中央扣，限制主梁和主纜縱向錯位，提高結構的扭轉剛度，從而提高橋梁抗顫振性能，達到抗風目的。同時，防屈曲支撐的中央扣，又能在強烈地震中首先“屈服”，桿件退出工作，減少反作用力，從而保護主梁不被破壞。

所謂機械措施，則是安裝輔助裝置增大結構阻尼，或在結構上附加一定質量的重物來提高結構的氣動穩(wěn)定性，從而降低風振響應。瀘定大渡河大橋則是在主梁兩端各安置了兩個粘滯阻尼器，當油通過節(jié)流孔時產生節(jié)流阻力，等于給橋梁裝上了“安全氣囊”。

該公司橋梁勘察設計分院副總工程師陶齊宇告訴紅星新聞記者，常規(guī)風攻角作用下，大于90m/s的風速才可能引起瀘定大渡河大橋的顫振。但目前看來，橋址現(xiàn)場還達不到其顫振臨界風速。

▲雅康高速瀘定大渡河大橋，橋面板中央上、下側設置穩(wěn)定板

知道多一點

長江上的這座橋 迎風“長出翅膀”

雅康高速瀘定大渡河大橋是鋼桁梁懸索橋，那么鋼箱梁懸索橋又如何抗風呢？以2012年底建成通車的宜瀘高速公路南溪長江大橋為例，四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司副總工程師譚邦明向紅星新聞記者進行了解析說明。

南溪長江大橋是萬里長江起點下的第一座現(xiàn)代化特大型懸索橋，主跨820米，其跨度及規(guī)模當時在四川省內位居第一，曾被譽為“蜀中第一跨”。

▲宜瀘高速公路南溪長江大橋

面對長江上游山區(qū)復雜的風環(huán)境，大橋在跨中設置剛性中央扣，北索塔和南索塔各設置了一對橫向抗風支座、一對縱向阻尼裝置。

作為四川省首座采用鋼箱梁的大跨懸索橋，該橋在國內首次采用鋼管桁架橫隔板、直腹板和外掛風嘴的鋼箱梁結構形式。經抗風試驗研究，顫振臨界風速為64.1m/s，遠高于47.7m/s的檢驗風速，結構具有較好的氣動穩(wěn)定性；同時，采用寬度為1.5m的分流板，將主梁的豎向渦振和扭轉渦振控制在規(guī)范允許范圍內?！胺至靼逑喈斢谝浑p‘翅膀’”，譚邦明打了個比方，就像機翼一樣，在氣流中起到穩(wěn)定作用。

▲宜瀘高速公路南溪長江大橋，鋼箱梁長了“翅膀”——分流板

紅星新聞記者還了解到，受四川省交通運輸廳高速公路管理局委托，四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司開發(fā)部署了“四川省營運高速公路橋梁安全風險監(jiān)管平臺”，高效推進四川省營運高速公路橋梁結構安全風險監(jiān)測工作。

目前，成綿復線高速公路石亭江大橋等11座橋梁完成了監(jiān)測系統(tǒng)與平臺的對接。該平臺將持續(xù)升版研發(fā)，進一步提升四川省橋梁安全風險防控水平，增強公路交通防災減災體系韌性提供技術支撐。

紅星新聞記者 嚴丹

（轉自紅星新聞：https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202105/1ee2097981a33d339a2c520707bec4b5.html?wxopenid=oBCTzjq4x_pFDHXOdUpt606PmM2Y）