四、改善桥梁断面气动性能

　　改善桥梁断面的气动性能的着眼点在于从作用于桥梁上的气动力中获取有利于颤振稳定的效能。具体的实现可通过两条途径：其一是改善加劲梁的断面型式，并对加劲梁的气动外形进行微调；其二是安装附加的主动或被动控制面以获得稳定气动力。

　　1．气动外形的改进

　　现有大跨悬索桥的加劲梁型式主要有欧洲常采用的扁平闭合箱梁型式和在美国、日本应用较多的行梁型式。榆梁型式的优点是加劲梁可以达到比较高的抗扭刚度，且透风性能好，所以其颤振临界风速较高，如日本的 Akashi Kaikyo悬索桥采用的就是行梁加劲。闭口箱梁型式的优点在于造价的节省和更好的美学效果，目前应用较为广泛，如丹麦的大海带桥，不过闭口箱梁型式的颤振稳定性不如行梁型式加劲梁，要提高采用闭口箱梁型式加劲梁的悬索桥的颤振性能。

　　（2）改善加劲梁截面两端（来流分离的主要部位）的外形，如添加风嘴等，以改善气流绕流的流态，减少涡脱，使截面趋向流线型。

　　（3）加劲梁中心开槽以增加透风车，减小加劲梁顶底面的压力差。节段模型试验和两自由度颤振分析显示中心开槽的闭口箱梁的颤振临界风速将得到一定的提高，而且随着开槽宽度的增加桥梁的颤振临界风速会继续上升［10］，当然这样会增加桥塔和下部结构的造价。

　　（4）在加劲梁断面布置导流板、抑流板或扰流板、中央稳定权等以改变绕流流态也可以提高桥梁的颤振稳定性。但这类方法的机理尚未研究透彻，所以这类导流板的具体型式、尺寸和布置部位都需要通过风洞试验来测试。

　　（5）避免采用实体栏杆和较高的缘石，增加栏杆的透风率。

　　采用以上的气动措施虽然能在一定程度上提高桥梁的颤振临界风速，但这些抗风措施的效能是比较有限的。即使合理运用了这些措施，当跨度继续增大后，这两种传统断面悬索桥的颤振临界风速仍将显著下降。其原因在于大跨悬索桥弯扭耦合颤振失稳发生时的临界风速主要取决于桥梁的扭弯频率比，扭弯频率比越大颤振临界风速越高。而桥梁的振动频率又主要取决于结构的整体刚度和惯性。大跨度悬索桥的刚度绝大部分是由主缆提供的，加劲梁的弯曲振动模态实际上是两根主缆作同相抖动所引起的，扭转振动模态则是主缆作异相抖动所致。仅就两根主缆并受到理想支承而言，主缆作同相或异相抖动的频率是相同的，在实际悬索桥中由于加入了加劲梁和桥塔的刚度和质量，并且加劲梁和桥塔的抗扭刚度同抗弯刚度有很大差别，从而造成了实际悬索桥弯频、扭频的差异。但随着跨度的增大，主梁、桥塔提供的刚度在结构整体刚度中所占的比例越来越小，结构的整体动力特性越来越向仅有两根主缆的情况接近，因而扭弯频率越来越接近，形成恶劣的气动稳定性。

　　因此，要实现超大跨度悬索桥就必须提出颤振稳定性更好的加劲梁方案，目前这种革新的加劲梁方案就是分离式闭口箱梁，在分离的箱梁间通过横梁连接成整体。分离式加劲梁设计实际上正是加劲梁中心开槽思想的拓展，即通过分离箱梁间的开放空间增加透风率，减小加劲梁顶底面的空气压力差从而增加气弹稳定性。同时这一方案保持了传统闭口箱梁结构的优点，如空气阻力系数小、涡振性能好等。有关的计算和试验结果表明这种方案是相当有效的，当然其造价的大幅增加也是在方案比选中需要认真考虑的。此外也有建议采用闭口椭圆形加劲梁方案【2】

　　2．主动控制面

　　控制面是在加劲梁断面的迎风、背风边缘安装的薄平板。当加劲梁在气流作用下发生振动时，利用作用在控制面上的气动力来达到抑制颤振，提高颤振临界风速的效果。根据控制原理的不同又可分为主动控制和被动控制两类。

　　控制面的主动控制措施[11～13] 是在加劲梁的迎风、背风边缘安装上控制面，这些控制面完全与加劲梁分离以避免造成二者之间的气动干扰，通过合理地反馈控制利用主动输入的能量调整控制面运动的振幅和相位，以产生对系统振动起稳定作用的气动力来达到抑制颤振发生的作用。反馈控制的原理可采用线性优化输出反馈控制理论，具体到颤振控制时常简化为最小能量控制理论[14].

　　在应用控制面进行主动控制时要注意：

　　（1）背风面的控制面所消耗的能量要多于迎风面，这是因为在振动过程中断面的扭转中心将向迎风面移动。

　　（2）在确定了需安装控制面的总长度后，无论是采用一整块控制面还是采用相同总长的多块控制面，其控制效果相差不大。安装一整块控制面所需的能耗低些，而采用多块控制面的好处在于当其中一块或几块停止工作时其对颤振的控制作用不会下降大多，这在实际应用中也是非常必要的。

　　控制面主动控制的优点是几乎可对任意风速都能进行反馈控制抑制颤振发生。主动控制的缺点是需要致动器、传感器、控制设备（执行、实现控制流）和外部能量输入等较复杂的控制系统。此外采用主动控制措施需要两到三个并行的工作控制系统以保证其可靠性，因为控制系统的失灵很可能导致桥梁结构的毁坏。

　　3．被动控制面

　　采用控制面进行被动控制［7］[15~17]的方法虽然不像主动方法那样可对任意风速都能解决颤振问题，但显然更为简便、可靠，易于为桥梁工程师所接受。

　　控制面被动控制的一种方法是将控制面同加劲梁直接相连（铰接），使加劲梁周围的统流模式发生改变，这样不仅可从作用在控制面上的气动力还可以从加劲梁本身气动力的改变中获得有利于气动稳定的作用。饺接在加劲梁断面边缘的控制面通过附加索连接到架设于二主缆间的支撑梁上，同时又由预应力扭转弹簧同加劲梁相连，这样当加劲梁发生扭转时控制面就可在附加索和预应力弹簧的共同作用下发生被动转动以达到提高系统气动稳定性的作用。节段模型分析表明最适宜的控制面宽度约为1.0m，桥梁临界风速最大可提高 30％，然而这一系统对控制桥梁静力扭转发散没有作用。

　　被动控制的另一种方法是在加劲梁重心处悬挂摆，布置在加劲梁迎风背风边缘的控制面都通过连接索连接到摆上（连接素同摆的连接点的变化将直接影响控制面相对加劲梁扭转运动的增益系数）。当加劲梁发生扭转振动时，重心摆将发生相对加劲梁的摆动，从而带动控制面运动，以获得适当的稳定气动力达到抑制颤振的目的。在对这种控制方法的分析中考虑了两种模式：其一是加劲梁扭转振动将引起迎风、背风缘的控制面作异相转动，即迎风面控制面作顺时针转动时背风面控制面作逆时针转动；其二是加劲梁扭转振动引起的迎风、背风缘控制面作同相转动。三维颤振分析结果表明模式一有效地稳定了第一阶扭转振型，但不提高静力发散风速；模式二则在防止了系统静力发散的同时将颤振临界风速提高了20％。分析还显示控制面的最有效布置位置在主跨的跨中点，长度约为30％的跨长。试验结果同分析结果达到了较好的一致性。对模式一所做的两维模型分析表明在应用重心摆进行控制面被控制时重心摆的主要参数可以有两种选择：一是所用摆质量大、周期长、阻尼大，这样加劲梁的运动将不引起摆的运动，控制面的运动将同加劲梁的扭转振动成正比，临界风速可提高43％；二是所用摆质量小，周期短，并采用较低的系统增益，这样摆的运动将大幅参与到系统的颤振模态中，临界风速最大可提高57％。节段模型试验结果显示当系统增益在 0～0.5之间时，分析结果同试验结果吻合较好，当增益大于1时，两者偏差较大，这说明分析中独立计算加劲梁和控制面上的空气力而未考虑耦合效果的简化仅适用于小幅振动的情况。

　　五、结语

　　本文在对国内外现有提高大跨度悬索桥颤振稳定性的方法进行评述的基础上，将悬索桥颤振控制方法归纳为三大类，即提高系统整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动性能。其中，提高系统整体刚度主要通过设置水平辅助索和横向辅助索来增强主缆的刚度，从而达到提高系统刚度的目的；控制结构振动特性方法最直接的措施就是采用调质阻尼器或调液阻尼器等增加结构机械阻尼，此外通过回转仪或偏心质量等措施于抗原有结构振动形态也能达到控制结构振动特性的目的；改善桥梁断面气动性能的传统方法就是改变或调整桥梁断面的气动外形，使得气体统流流态中的分离和涡脱现象消失或减小，而根据机翼控制原理提出的主动和被动控制面方法则是最近几年才提出的一种新的设想。由于上述各种颤振控制方法的理论分析难度很高，特别是理论分析中非定常气动力的模型很难确定，因此各种颤振控制措施的有效性和经济性必须借助风洞试验尤其是全桥气弹模型风洞试验加以验证。