摘要：改善抗風(fēng)穩(wěn)定性能是大跨度懸索橋設(shè)計(jì)和建造中的一個(gè)重要課題。本文從提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)性能等三個(gè)方面介紹了國內(nèi)外在改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能中的實(shí)踐和探索，并歸納出了一些理論分析和試驗(yàn)研究的結(jié)論，這些結(jié)果將有助于我國2000m以上大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和研究。
關(guān)鍵詞：懸索橋 抗風(fēng)穩(wěn)定性 顫振 系統(tǒng)剛度 結(jié)構(gòu)阻尼 氣動(dòng)性能
一、引言
隨著橋梁設(shè)計(jì)和施工水平的不斷提高，現(xiàn)代懸索橋的跨度記錄不斷被刷新，保持了近20 年世界記錄的英國 Humber懸索橋（1410m），在最近兩年接連被丹麥 Great Belt懸索橋（1624）和日本Akashi KaikyO懸索橋（1991）所超越，而新一輪設(shè)計(jì)和建造更大跨度懸索橋的熱浪正在世界各地醞釀之中。其中，日本建設(shè)省土木工程研究所正在進(jìn)行 2800m跨度的懸索橋全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究【1】，意大利Messina海峽一跨過海的可行性方案采用了3300m跨度的懸索橋，而跨越 Gibraltar海峽的規(guī)劃中更是出現(xiàn)了3550m的懸索橋［2］。我國自1999年建成了1385m的江陰長江大橋后，超越 2000m跨度的懸索橋方案也已經(jīng)出現(xiàn)在規(guī)劃中的同（江）三（亞）線等大型跨海工程中。
懸索橋跨度大幅度增長帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的急劇下降，這使得風(fēng)致振動(dòng)對橋梁安全性的影響更加重要，而影響風(fēng)振性能最關(guān)鍵的因素就是抗風(fēng)穩(wěn)定性，即橋梁顫振穩(wěn)定性。橋梁顫振是一種發(fā)散性的自激振動(dòng)，是在結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力、彈性力和自激氣動(dòng)力共同作用下所發(fā)生的一種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。其中，結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力和彈性力反映了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，而自激氣動(dòng)力主要與結(jié)構(gòu)斷面的氣動(dòng)外形有關(guān)。因此，改善大跨度懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能的探索主要從以下三個(gè)方面著手，即提高系統(tǒng)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)性能。
二、提高系統(tǒng)整體剛度
大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度主要來自于主纜，因此提高結(jié)構(gòu)整體剛度的著眼點(diǎn)應(yīng)放在主纜上。通過調(diào)整主纜同加勁梁的相對位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的目的[3]，而顫振臨界風(fēng)速同橋梁扭轉(zhuǎn)頻率和扭彎頻率比直接相關(guān)，所以這類方法對提高大跨和超大跨懸索橋的顫振穩(wěn)定性也是行之有效的。此外，有的學(xué)者還提出應(yīng)用空間索系來提高懸索橋的側(cè)向和扭轉(zhuǎn)剛度[4]，雖然在理論上非常有效，但由于施工的過于復(fù)雜目前很難付諸實(shí)施。
1．水平輔助索
利用水平輔助索可以提高懸索橋的抗扭剛度從而提高扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率。因?yàn)榧觿帕号まD(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)時(shí)兩根主纜作異相抖動(dòng)，表現(xiàn)為沿著橋梁軸線的反對稱運(yùn)動(dòng)，而水平輔助索將有效地抑制這種主纜的反對稱抖動(dòng)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。其效果類似于橋塔抗扭剛度的增強(qiáng)。
2．橫向輔助索
橫橋向布置的輔助會對也可增強(qiáng)懸索橋的扭轉(zhuǎn)剛度。
這些輔助索的共同效果在于將加勁梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)同側(cè)向水平振動(dòng)在一定程度上耦合起來（扭轉(zhuǎn)中心上升），從而提高結(jié)構(gòu)總體抗扭剛度。當(dāng)主梁扭轉(zhuǎn)時(shí)由于橫向輔助索的約束使主梁的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總是伴隨著主纜的運(yùn)動(dòng)和加勁梁的側(cè)向水平運(yùn)動(dòng)，對相同荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而言振幅得到了一定的控制，扭轉(zhuǎn)剛度也得到了提升。
在實(shí)際應(yīng)用中a方案較為經(jīng)濟(jì)，但由于主纜居中，考慮到保證交通凈空的必要無法在跨中將主纜同橋面作剛性連接（即中央扣），而這是大跨度懸索橋提高扭轉(zhuǎn)和側(cè)向剛度的一個(gè)非常有效的結(jié)構(gòu)措施。
b 方案是在普通雙主纜懸索橋的橫斷面上增加了橫向交叉索，從而使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)同側(cè)向振動(dòng)耦合而提高扭轉(zhuǎn)剛度。這種方案不僅能提高顫振穩(wěn)定性，而且施工方法也很簡便；主纜和橋面可按照普通懸索橋的方法步驟來施工，而橫向交叉索可以根據(jù)實(shí)際要求既可在施工過程中充當(dāng)施工臨時(shí)索，也可一并在橋面安裝完成后布設(shè)。此外，這一方案還留有進(jìn)一步改進(jìn)的余地，如將橫向交叉索擴(kuò)展到全跨或?qū)⒍骼|連接起來以進(jìn)一步提高抗扭剛度和顫振穩(wěn)定性。
方案c 和d的結(jié)構(gòu)剛度提高較大，顫振穩(wěn)定性較之方案a和b更好，但由于主纜位于不與橋面正交的傾斜面內(nèi)，給施工帶來了較大的困難。方案d還有纜索用量較大（估計(jì)比通常懸索橋增加 120％[2]）的缺陷，而且橋面下的兩根主纜也有可能影響橋下的通航凈空。所以這兩種方案需經(jīng)慎重比選后再采用。
從提高顫振臨界風(fēng)速的效率以及造價(jià)、施工等各方面綜合比較而言，方案b是較為可行有效的選擇。
橫向交叉索的布置位[5] 是另一個(gè)需要認(rèn)真對待的問題，通常的布設(shè)位置在主跨的四分點(diǎn)處。相關(guān)的理論計(jì)算得出的結(jié)論是交叉索的最佳位置是在主跨的0.3L處或邊跨的跨中
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