大跨度桥梁由于刚度小、质量轻、阻尼小，在风的作用下，主梁和其他主要承重构件容易产生较大振幅的振动。其中有影响结构安全的发散振动，如主梁颤振、桥塔驰振、斜拉索风雨振和细长构件的尾流驰振；也有影响结构正常使用的限幅振动，如主梁涡激振动和抖振。不同的风振类型其振动机理和表现形式不一样，振动控制措施也不尽相同。本文简单介绍了桥梁的不同振动形式，列举了常用的抗风减振措施。

自然风可分为平均风和紊流风，根据风对桥梁结构的作用机理和产生的效应，可分为静力作用和动力作用。动力作用是指结构在风作用下产生的空气弹性动力响应，可以分为发散振动和限幅振动两大类，其中，颤振、驰振、斜拉索风雨振属于发散振动，涡振和抖振属于限幅振动，如图1所示。

图1 风对桥梁结构的作用分类

在桥梁的抗风设计中，需要考虑以下问题：确保桥梁在运营及施工期间具有足够的空气动力稳定性，在相应的检验风速范围内，主梁杜绝出现破坏性的发散振动，即颤振、驰振和空气静力失稳现象；确保桥梁结构在风荷载作用下具有足够的强度和刚度，不出现影响结构正常使用的变形；确保吊杆、斜拉索等构件在运营及施工期间不发生毁坏性的驰振、尾流驰振和风雨振；确保桥梁在运营及施工期间的风致限幅振动——涡激振动和抖振的振幅在容许范围内，不影响桥梁的正常使用和车辆的运行安全。

对于不同的桥型，由于结构刚度、质量和结构动力特性的不同，表现出不同的风效应，抗风设计考虑的侧重点也不同。对于悬索桥和斜拉桥，由于结构轻柔，需考虑运营期抗风安全和抗风舒适性，以及施工期结构和施工机械的抗风安全；梁桥和拱桥一旦建成，刚度较大，一般不存在抗风安全问题，因此，只需考虑施工期悬臂阶段的抗风安全和成桥状态限幅振动引起的抗风舒适度。吊杆和斜拉索需要考虑风雨振和尾流驰振。公路桥梁对于静风引起的横向变形一般不控制，而铁路桥梁需要关注桥梁横向变形对列车行车安全和舒适度的影响。

桥梁的结构动力特性是指桥梁的振型、频率、振动质量和阻尼比。桥梁抗风设计中的最主要的几个振型为：影响主梁抗风安全即颤振稳定性的振型，主要是第一对称竖弯和第一对称扭转，以及第一反对称竖弯和第一反对称扭转；对于影响舒适性的涡激振动，200米跨度以下的中小跨径桥梁，需要关注第一阶竖弯和第一阶扭转，而大跨度桥梁需要关注高阶振型；大跨桥梁的施工状态，影响施工状态抗风安全的主要是主梁第一竖弯和主梁第一扭转，以及自立桥塔状态时桥塔的顺桥向弯曲、横桥向弯曲振型和桥塔扭转振型。

阻尼对桥梁的风致振动有关键的影响，桥梁阻尼的大小用阻尼比表示。关于桥梁结构阻尼比的选取，《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T_3360-01-2018)对钢桥的阻尼比做了调整，钢箱梁主梁关键振型的阻尼比调整为0.3%，钢桁梁的阻尼比为0.5%。叠合梁主梁振型的阻尼比一般取1.0%，混凝土梁主梁振型的阻尼比一般为2%。

主梁颤振和控制措施

颤振是一种破坏性的纯扭转或弯扭耦合的发散振动，当达到颤振临界风速时，振动的主梁通过气流的反馈作用从气流中不断吸收能量，导致振幅迅速增大，直至结构破坏。在颤振发展过程中，主梁受到的风速U与颤振临界风速Ucr之间的关系如图2所示，当风速U Ucr时，自激力对结构做正功，气流向结构输送能量，结构的振动迅速发散，直至结构破坏；当风速U=Ucr时为临界状态。颤振相当于结构设计中的承载能力极限状态，在检验主梁的颤振稳定性时，桥梁的颤振临界风速必须大于相应的检验风速。

图2 主梁颤振示意图

《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T_3360-01-2018)对于颤振临界风速有如下规定：一般桥梁应在0°、±3°风攻角工况下进行颤振稳定性检验，若存在明显的颤振发散点，则发散点对应的风速为颤振临界风速。若无明显的颤振发散点，则以扭转位移标准差为0.5°时，对应的试验风速换算为颤振临界风速取值。影响颤振的主要因素包括：扭弯比、质量及质量惯性矩、结构阻尼比、主梁的气动外形，其中气动外形对颤振临界风速的影响最大。

提高桥梁颤振临界风速的措施有结构措施、机械措施和气动措施三种。结构措施是提高主梁的扭转频率，如设置中央扣，这种措施对于中小跨径桥梁有效。机械措施主要是利用阻尼器提高结构的阻尼，从而提高主梁的颤振临界风速。气动措施是改善桥梁颤振性能的主要方式，原理是改变结构的气动外形，从而改变主梁断面的绕流形态，从而提高主梁的颤振临界风速。如图3所示，改变钢箱梁斜腹板与底板的角度，控制在14°～18°颤振性能最好。另外如图4，在桁架梁上设置下稳定板，以及图5利用分体式箱梁断面，都是提高颤振临界风速的有效措施。

图3 钢箱梁斜腹板倾角对颤振的影响

图4 设置中央稳定板的桁架梁断面

图5 中央开槽的分体式箱梁断面

悬索桥施工期的颤振稳定性

由于悬索桥在施工期的刚度小于成桥状态，尤其在施工初期。另外，悬索桥的施工工期长，在施工期遇到强风天气的可能性较大。因此，悬索桥施工期的抗风性能同样重要。主梁拼装长度很短时，作用在主梁上的风荷载很小，主梁架设初期颤振临界风速较高，随着拼装节段的增多，主梁上的风荷载逐渐变大，而桥面主梁没有形成足够的刚度，颤振临界风速呈下降趋势，在主梁拼装的前半程(拼装率<40%)，主梁整体抗扭刚度小，颤振临界风速处于整个施工过程的低谷；而在主梁架设后期，随着主梁抗扭刚度的增大，结构的抗风稳定性逐渐增强。因此，主梁架设初期的颤振稳定性，在悬索桥施工过程中需要重点关注。针对悬索桥施工初期颤振稳定性较差的问题，经过国内外学者的研究，提出了一些有助于施工期颤振稳定性的措施，包括增加临时的交叉吊杆、在主缆间设置一字横撑或水平交叉索，如图6所示。

图6 提高施工期颤振的临时结构措施

驰振

驰振是具有特殊断面形状的细长结构物发生的风致不稳定现象。振动形式为垂直于气流方向的纯弯曲大幅振动，振动频率远低于该截面的旋涡脱落频率。一般发生于矩形、“D”形和“H”形等特殊截面，一些裹冰输电线也容易发生此类振动。

驰振是发散的，若要提升驰振发生风速，对于桥塔，可在塔顶安装调质阻尼器(TMD)提高结构的阻尼比；对于钢桥塔可改用混凝土塔以增大结构的质量和阻尼；增大刚度可有效提高结构基频，进而提高驰振临界风速；对于矩形截面可以做倒角处理来提高驰振稳定性。

尾流驰振是相邻两个平行结构，当下游结构正好处于上流尾流区域时，且尾流脱落的频率正好与下游结构的频率一致时，就会发生尾流驰振，如图7。平行电缆、斜拉桥下风侧的斜拉索、悬索桥靠近桥塔的吊杆等构件易发生尾流驰振。在设计这种结构时，应注意两者之间的间距，避免尾流驰振的发散。

图7 尾流驰振

斜拉索风雨振

斜拉索的风雨振动是20世纪80年代才发现的一种斜拉索风致振动现象，最早发现于日本明港西大桥，此后国内外多座大桥的斜拉索均发生过这种振动现象。风雨振是指在一定风速范围内，由于风、雨联合作用而引起的、处于一定姿态的斜拉索的大振幅振动。风雨振动是已知斜拉索的振动形式中振幅最大、破坏最严重的振动形式。

经过国内外学者的长期观测和研究，风雨振主要有以下几个特征：

1.风雨振以斜拉索的面内振动为主；

2.风雨振主要发生于有光滑PE索套且直径为80～200mm的斜拉索；

3.风雨振发生在一定风速范围内(6～18m/s)，振动频率在1～3Hz范围内；

4.发生风雨振的斜拉索的水平偏角在30o～80o之间；

5.上水线是风雨振发生的必要条件，发生风雨振时，上水线在斜拉索表面做环向振动；

6.易发生于平坦地区或海上等紊流度较小地区的桥梁上。

经过多年理论研究及工程实践，目前已经采用的斜拉索减振措施包括结构措施、机械措施和气动措施。

结构措施主要是指辅助索，用数道细索将部分或全部主索连接起来，形成索网系统，从而提高了主索的刚度，该方法的主要缺点是影响斜拉桥的美观。采用该方法的桥有法国诺曼底大桥和Hartman桥等，如图8。

图8 斜拉索辅助索控制风雨振

机械措施是在斜拉索的主梁锚固端附近增设阻尼器或吸振器，以提高斜拉索的阻尼。目前常用的阻尼器有油压阻尼器、黏滞剪切型阻尼器和磁流变阻尼器。

气动措施主要是通过改变斜拉索的气动外形，增加拉索的粗糙程度，破坏水线的形成，从而抑制风雨振的发生。常见的气动措施是在斜拉索表面制造凸起、制造凹坑、缠绕螺旋线，如图9。

图9 斜拉索风雨振的气动抑振措施

涡激振动

当气流绕过钝体断面时产生周期性脱落的旋涡，使物体受到涡激力的作用，在特定风速下涡脱频率与结构的自振频率接近时，结构便会发生涡激振动，图10。涡激振动一般在常遇风速下发生，因此发生频率较高，主要有竖向和扭转两种振动形式。桥梁的主梁、桥塔、斜拉索及吊杆等构件均有可能发生涡激振动。虽然涡振是一种限幅振动，但过大的振幅会导致结构的疲劳，影响行车舒适度，危及行车安全。

图10 涡振抑振措施

涡振的控制措施

涡振的控制措施也分为结构措施、机械措施和气动措施。

结构措施就是提高结构的频率，使得涡振的风速超出设计风速。机械措施是最大结构的阻尼，减小或者消除涡激振动。对于具有简谐振动的涡激振动，调质阻尼器(TMD)可以增加结构的阻尼，具有良好的制振效果，但一组频率的TMD只能抑制一个振型。气动措施是最有效、也是最经济的抑振措施，即改变结构的绕流形态，消除激励源，从而达到抑制涡激振动的目的，例如在箱梁斜腹板与底板交界处设置导流板，消除旋涡，从而消除涡激振动；在双箱梁上设置抑涡格栅，消除双箱梁中间的旋涡，消除涡激振动。其他常用的气动措施包括设置导流板、分流板、翼板等，对于桥塔可以做切角处理、设置圆弧导流板等，如图10所示。

抖振

由于受大气中风速脉动紊流成分所激起的强迫振动，称为紊流风响应或抖振响应。抖振响应的大小与脉动风的特性密切相关，是一种限幅振动，但过大的抖振振幅会引起结构安全问题，给行人车辆带来不适，或危及施工人员和机具的安全。

抖振响应的大小主要取决于结构动力特性、主梁断面的气动力特性和紊流风特性。抖振是一种随机振动，通过一定的措施，可以减小其振幅，但不可避免。目前，通过气动选型、增加阻尼器的方法可以限制抖振响应振幅。在桥梁施工阶段可以通过增设辅助墩、辅助抗风拉索、设置调质阻尼器等方法来控制结构抖振响应。

目前，我国正在规划和设计中的超大跨度桥梁，主跨已超过2000m，对于超大跨度悬索桥，其抗风安全和抗风舒适度与一般跨度的桥梁有较大的区别。

1.主梁颤振稳定性

在强风作用下的颤振安全依然是超大跨桥梁的控制性问题，必须保障颤振安全。有别于一般的悬索桥，一是超大跨度悬索桥平均风引起的静位移和附加攻角对颤振的影响更为显著，需要关注大变形、大振幅气动力非线性，对颤振稳定性的影响；二是关于颤振评价标准的选择，针对软颤振现象，现有规范的评估标准太苛刻，需用适合于超大跨度桥梁变形特征的颤振评价标准，对主梁的颤振稳定性进行评价。

2.主梁静风稳定性

一般跨度的悬索桥静风失稳不控制，但超大跨度的悬索桥横向刚度小、变形大，在平均风作用下，跨中断面的扭转角的增大使得风荷载进一步变大，由于结构非线性的影响，静风失稳可能从一个次要问题变成主要问题，目前已有试验发现桥梁的静风失稳风速低于颤振临界风速。随着桥梁跨度的增大，横向变形和扭转变形急剧加大，对于超过2000米跨度的悬索桥，可能静风失稳比颤振失稳更控制设计。

3.主梁涡激振动特征

超过2000米悬索桥，振型分布密集，振型频率之间的差距很小，低阶振型的涡振风速较低，能量有限，振幅较小，但高阶振型的振动依然在常见风速范围内，须对高阶振型的涡振特性进行详细考察。另外，为了进一步精确评价桥梁的涡激振动性能，有必要对雷诺数、紊流等对涡振的影响规律，以及合理评价准则进行详细的研究。另一方面，超大跨桥梁的涡激振动利用机械措施进行制振难以实现，必须通过风洞试验从激励源上消除涡激振动，研究得出具有优越气动形式的超大跨主梁断面形式。

4.主梁抖振响应特征

抖振是由于紊流风中的脉动作用引起的一种随机振动，在风的作用下，所有的结构都有抖振，不可避免。对于一般跨度的悬索桥，由于常见风速下的抖振振幅不大，一般不会超过涡激振动的振幅，因此常见风速下不关注抖振，而更关注高风速下由于抖振所引起的动力风荷载。但对于超过2000米跨度的悬索桥，由于低频部分频率密集，如果采用桁架梁，由于主梁高度较高，风荷载较大，除了关注高风速下的抖振荷载，还应重视常见风速下的抖振响应特征和抖振对主梁运营期间舒适度的影响。

5.常遇风速下的行车舒适性

大跨桥梁行车安全问题可以分为高风速效应和低风速效应。高风速的风作用可能引发车辆侧翻事故，以及因行车线路的偏向或侧滑导致的交通事故。低风速的风作用会降低公路车辆的驾乘舒适度。高风速效应由于强风出现的频率较低，危害并不突出，而2000米跨度以上的桥梁，应重点关注低风速效应。影响行车舒适性的桥梁振动主要是低风速下的涡激振动和抖振。对于一般跨度的桥梁，应避免出现低风速下的涡振；低风速下的抖振振幅较小，一般不会影响行车舒适性。对于超过2000米跨度的悬索桥，低风速下的抖振可能较大,会影响行车舒适性，因此应对常遇风速下的抖振响应对行车舒适性的影响进行研究和评估。

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知识点：桥梁的风致振动与减振技术