城市桥梁结构风致振动响应与减振措施研究

引言​

城市桥梁是交通网络的关键节点，其安全运营关乎民生与经济发展。风荷载作为桥梁的重要动力荷载，会引发多种风致振动，轻则影响行车舒适性，重则导致结构疲劳甚至失稳破坏。随着城市桥梁跨度增大、结构形式日趋复杂，风致振动问题愈发突出，开展相关研究十分必要。文章完善桥梁风致振动与减振的理论体系，丰富抗风研究方法。

一、城市桥梁风致振动类型及机理

1.1 常见风致振动类型

城市桥梁的风致振动可分为四类典型类型。颤振是由气动弹性力与结构惯性力耦合引发的发散振动，表现为结构在特定风速下振幅随时间持续增大，若未及时控制可能导致整体失稳。涡激振动由气流绕经桥梁断面时产生周期性旋涡脱落引起，振动频率与旋涡脱落频率同步，呈现明显的周期性特征，振幅通常稳定在一定范围但易引发结构疲劳。抖振是大气湍流作用下的随机振动，无固定频率，振动能量分布较广，主要影响桥梁的舒适性与耐久性。驰振则多发生于非流线型截面结构，在特定风向角下因气动力与结构运动耦合产生，振动幅值随风速增加而快速增长，常见于桥面宽度较大的桥梁。

1.2 风致振动产生机理

桥身空气动力学（风振）基础理论是由于风与结构发生相互作用，结构的变形影响风流动形态，变形结构引起的风力作用反过来又影响结构变形，在此基础上产生正反馈过程，达到一定程度，如果风力输入大于阻力的风能耗散将出现颤振或驰振。绕流分离（脱体涡街）理论认为气流绕结构流动发生分离，产生脱体涡街，脱体涡对结构产生了周期性脉动力，结构共振（涡激振动）力会诱发共振而产生涡激振动。

1.3 影响风致振动的关键因素

桥址所处位置的桥本身参数会影响风致振动，比如流线型桥墩外形，能够减轻空气乱流，减小涡激和颤振的发生机会。桥墩本身的刚性较小，固有频率降低，增大共振的可能性；阻尼比小，振动能量衰减慢，振动的幅值大。风环境条件，风速作为输入能源决定振动的强度，小于临界风速的振动多数为涡激振动，风速大于临界风速可能产生颤振。

二、城市桥梁风致振动响应分析方法

2.1 理论分析方法

理论分析法主要是依靠物理方法，结合数学建模来模拟风致振动的过程，主要包括以气动力与结构变形为研究对象的气动弹性理论，通过颤振方程计算桥梁的临界风速和振动发散等；以抖振荷载为随机过程的随机振动理论，通过其功率谱描述振动能量的分布，进而依靠结构频响，计算响应的均方根位移或加速度；以结构系统产生涡激振动时的旋涡脱落频率与系统固有频率相关联为研究对象的涡激振动理论等。

2.2 数值模拟方法

数值模拟是用计算机模拟风振的动态过程。CFD 依据流体动力学方程模拟桥面结构模型绕流过程，从而得到结构模型绕流过程的气动力荷载时空变化，可以模拟旋涡脱落、气流分离等细部流动。FEM 则将桥梁结构单元模型离散，结合材料力学模型及其本构关系、结构动力学方程等，得到不同风荷载下桥梁结构的振动响应位移、应力变化，也可以得到结构的其他量的变化规律。

2.3 试验研究方法

在理论研究、数值模拟、物理模型试验和现场试验中进行模型试验或者原位试验，能够得到结构的振动位移、加速度和气动响应数据，测试桥梁结构受到风环境影响后，基于理论与数值模型分析的结果和数值模拟的输出结果进行验证或直接得到正确结果，是对模型设计或修正的权威方法。桥上实验则是在真实桥梁上安装测风仪、加速度传感器等，直接采集桥梁真实的运营状态下的风致振动数据，包括自然风、阵风、脉动风作用下所引起的桥梁结构振动，能够为物理模型或者数值模型的验证提供参考。

2.4 响应分析模型构建与验证

为了进行响应分析需要建立响应分析模型，考虑到结构和风荷载的特点，基于桥梁的形式选定计算简图以及相应的单元类型和本构模型，建立结构的力学模型；然后再依据风环境进行相应的理论模型法或数值模拟，获取风荷载的时程谱，确定风荷载作用方式。对于模型的校验则是需要通过多源数据对比的方式进行校验，采用理论计算与风洞试验数据比对的方法，使得模型参数调整、减小误差。

三、城市桥梁风致振动减振措施

3.1 气动措施

气动方案是从减少来流冲击角度优化桥梁形状从而减弱气流动压场的旋涡振动强度的控制手段。最常用的两种方法是改形和气动辅助装置安装：形状上的流线型可以减少发生分离和旋涡强度，对于减少涡振效率高。梁上附加导流板、抑流板可有效引导气流平顺通过，打破产生旋涡的有规律的脉动现象；安装扰涡器可破坏气流的规律性，使得旋涡脱落频率脱离桥梁固有频率，防止桥梁共振现象的发生。气动方案具有无需驱动电机的特点，因而不影响桥梁的自身质量；受制于桥梁建设或改造完成后梁体设计，气动手段适用于对桥梁设计建设时或建造完成后梁体外形进行调整，但其方案效果需要风洞试验的研究才

能给出。

3.2 结构措施

结构措施是指提高桥梁自身刚度及阻尼对抗风振。增大桥梁整体梁体的截面积或增设梁体的加劲肋能增强桥梁结构刚度，能够提高桥梁结构的固有频率以避开涡激脱落的频率区间，从而避免涡激振动的可能性；将桥梁整体材料掺加高阻尼剂后再浇筑或在桥梁结构连接部位安装阻尼耗能组件可以加大结构的阻尼比，加快振动能耗过程，对抖振等随机振动有较强的抑制效果；桥梁结构体系优化，如在桥梁体系上增设辅助墩或斜拉索刚度，以增强桥梁结构的侧向稳定，延缓桥梁结构发生颤振的时间。结构措施具有一定的耐久性，对桥梁结构整体联动，其构造措施应在设计阶段统一考虑，后期难以实施，施工难度高、扰动原结构。

3.3 机械减振装置

被动式减振装置是在振动方向上施加反向激励力或能量而消耗振动能量，机械式减振装置分为被动式和主动式。被动式中调谐质量阻尼器（TMD），主要运用质量块的反向运动造成振动状态下的惯性力抵抗振动，适用于单频振动的涡激振动；调谐液体阻尼器（TLD）是利用液体的晃动而形成阻尼力，以消耗振动能量，其结构简单、维护成本低；粘滞阻尼器则是利用流体的粘性来消耗振动过程中的动能，抑制的范围较广，可以适用于振动的全频谱。主动式减振装置是由传感器和作动器组成的复合系统，可以输出相应控制力补偿振动，比如主动质量阻尼器（AMD），可以精确消除动载荷，但控制力需要外源动力供给，结构复杂。

3.4 各减振措施的适用场景与设计要点

流线型较差且容易发生旋涡脱落的桥梁可以采用气动措施，在其设计中可以通过风洞试验调节外形参数，在各个风向角都有效。对于新建桥梁或者抗风性能需要有大幅度改进的桥梁可以采用结构措施，在结构措施的设计中需要注意刚度和重量的关系，刚度的提高要适可而止，防止因此增大桥梁的成本。机械减振装置往往是对解决某一种或者几种振动问题比较有效的方法，例如 TMD就可以有效减少涡激振动比较多的桥段的振动，对该类装置的调谐频率和阻尼的设计必须要准确。主动控制装置一般针对比较复杂的振动特性，如大跨度桥梁，要求要有可靠的监测和控制体系。

结语

本文研究城市桥梁风致振动响应与减振措施，明确了振动类型、机理及分析方法，对比了各类减振措施的适用性。文章为桥梁抗风设计提供参考，但对复杂风场下措施协同效应研究不足。未来可结合智能监测技术，优化减振方案，提升桥梁风致振动控制的精准性与高效性。

参考文献

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