对造成特大型桥梁大幅振动的几点成因分析

邓惠斌 宋振辉 鞠鹏飞

湖北楚天联发路桥养护有限公司

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4月26日下午14时许，多位武汉的车主在微博上反映，鹦鹉洲长江大桥桥体如波浪般晃动，感到头晕，非常担心桥梁安全。后经桥管养单位召集设计单位和相关专家实地踏勘，认为桥梁振动系特定风况引起，桥运行正常安全。

专家的意见给大家吃了一颗定心丸，笔者更想借这个机会去了解一下桥梁发生大幅度振动的诱因是什么。通过查阅相关资料和论文笔者得到了一些解答，在此与从事桥梁工程相关的各位同仁进行探讨交流。

导致桥梁发生大幅度晃动的可能原因主要有两种，一是桥面通行车辆激励发生共振;二是自然环境作用产生的大幅度振动。

共振指的是物体受到激励振动频率与自身固有频率接近时，发生的振幅增大的现象。自然环境下，其实“万物皆在动”，任何物体都会受到自然激励发生振动，大部分振动都很微弱，人体很难感觉到，共振因为振幅更大，人们更容易察觉。

共振现象在自然界中非常多，比如声学常说的“共鸣”、电学上的振荡电路以及人类和动物的耳中基底膜共振等等。共振现象有利也有害，我国古代墨家就层利用共振现象制作了“共鸣器”用来侦探敌情，在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮，两瓮分开一定距离，根据这两瓮的响度差来判别敌人所在的方向。共振大多时候是有害的，会引起机械或结构很大的变形和内部应力，甚至造成破坏性事故。比如很有名的拿破仑行军桥梁倒塌事故：19世纪初，一队拿破仑士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振!因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的抗压力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。有鉴于此，所以后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时，要改齐走为便步走。

桥上通行的车辆经过桥面时，车辆自重对桥梁结构造成激振，同时如果桥面不平整，桥梁就会在车辆冲击下产生振动，这也是一种激振。若频率接近桥梁结构固有频率就易发生共振。

桥梁为了避免共振，在设计之初就规定了桥梁自振频率的限值，用来预防车辆通过桥时产生共振，并在桥面伸缩缝处安装平顺的过渡装置，减小桥面振动。并设置各种类型的阻尼器来消耗掉振动能量。

自然环境作用产生的大幅度振动有几种较常见的成因，一是地震作用，二是风力作用，再就是风雨振。地震作用显而易见，桥梁墩柱或塔身传导地震波到桥面，造成桥梁产生大幅度振动。风雨振则多出现在斜拉桥的拉索上，成因是雨水在拉索表面附着，迎风后上水线(风向与索截面的上切点)发生的有规律振动，由于拉索阻尼器的普及，这种振动基本可以消除。最后也是最复杂的就是风力作用，风振主要是由于风的动力作用产生的。包括的现象有涡振、颤振、抖振和驰振。

涡振指涡激振动是风流经过各种断面形状的钝体结构时，在其断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落，产生交替变化的涡激力而引起的结构振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。通常情况下，涡激振动的振幅很小，但当旋涡脱落频率与结构的固有频率相接近时，流体与结构间产生强烈的相互作用引起涡激共振。

对照旋涡脱落现象，振动的桥梁从流动的风中吸收能量，由此引起的不稳定被称为自激振动或颤振。颤振是一种危险性的自激发散振动，其特点是当达到临界风速时，振动着的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量，而该能量又大于结构阻尼所能耗散的能量，从而使振幅增大形成一种发散性的振动。对于近流线型的扁平断面可能发生类似机翼的弯扭藕合颤振。对于非流线型断面则容易发生分离流的扭转颤振。颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只有精心分析与设计，辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。

抖振即边界层分离或湍流激起结构或部分结构的不规则振动。抖振的最主要例子是飞机的尾翼抖振。当尾翼处于机翼、机翼—机身接合部或其他部件的尾流中时，尾流中的扰动迫使尾翼作强烈的振动。抖振可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果。按来流的不同可分为：①上游临近结构物尾流引起的抖振;②结构物后本身紊流引起的抖振;③大气紊流引发的抖振。实际上，桥梁结构中最为常见的是大气紊流成分引起的抖振。

驰振一般发生在正方形、矩形、直角形等复杂不规则的非流线型截面的结构中。驰振产生的机理是由于升力曲线具有负斜率，所以使得空气升力具有负阻尼作用，从而使结构能够源源不断地从外界吸收能量，从而形成类似颤振的发散振动现象。根据产生机理的不同，驰振可以分为尾流驰振和横流驰振两种。尾流驰振是由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的不稳定振动。比如说斜拉桥的拉索、悬索桥吊杆最容易发生尾流驰振。横流驰振是由升力曲线的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。这种负斜率使得振动过程中结构的位移始终与空气力的方向相一致，结构不断从外界吸收能量，从而形成不稳定振动。横流驰振一般发生在具有棱角的非流线型截面的柔性轻质结构中，悬吊体系桥梁结构中的拉索和吊杆最有可能发生横流驰振。此外，对于宽高比较小的梁式钢桥，高柔的大跨径斜拉桥、悬索桥桥塔以及连续钢构桥在最大悬臂施工阶段的主梁都存在着发生驰振发散的可能性。

以上就是对桥梁发生振动的几点原因阐述，实际上，桥梁本身受车辆行驶和环境振动影响，无时无刻都在发生着振动，只是大部分振动的幅值并不大，某些环境激振造成的桥梁振动明显、幅值较大的现象，只要振动幅度在桥梁设计允许挠度限值以内，并不会造成结构损伤。但长期的大幅度振动会造成桥梁部件疲劳损伤，影响桥梁耐久性，对应的，分析振动成因，对症用药是可以解决桥梁大幅度振动问题的，比如TMD阻尼器及粘滞阻尼器在桥梁上的应用以及针对风振的扰流板的设计都是切实有效的制振措施。

(新媒体责编：syhz0808)