虎门大桥风致振动U-TRIZ分析及解决方案探讨

1、    虎门大桥风致振动u-triz分析及解决方案探讨    张晓利 赵敏摘 要：以我国虎门大桥出现桥梁涡振现象为例，列举了桥梁风致振动成因和振动类型，针对虎门大桥的风振问题进行功能分析，并对世界范围内桥梁风致振动案例进行解析，从而提出桥梁风致振动u-triz解决方案。关键词：悬索桥;风致振动;桥梁涡振中图法分类号：u441.3;u448.25      文獻标志码：a        doi：10.19679/ki.cjjsjj.2021.03082020年5月5日下午，我国虎门大桥出

2、现桥梁涡振现象，当日风力5至6级，最高达到6级（6级风速为10.813.8m/s）。直至6日凌晨，虎门大桥仍有肉眼可见的轻微振动。12日，专家权威发布大桥振动原因，并表示关键桥梁构件未发生异常，桥梁结构总体安全。16日，虎门大桥恢复通航。虎门大桥是连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥，为珠江三角洲地区环线高速公路重要组成部分，于1997年建成通车，防撞等级为30mn，防震等级为7级，防台等级为61m/s，车流量大，常处于饱和状态。1  桥梁风致振动成因和振动类型此次虎门大桥的振动是由于风致引起。为了避开超深水基础的施工困难和满足超大型船舶的通航要求，同时考虑施工和造价问题，国内外

3、大力兴建大跨径钢构桥，桥梁结构向着跨度更大、更柔性的方向发展。如表1所示。表1    国内外大跨径桥梁更大跨度、更加柔性的桥梁结构会使桥梁周围空气绕流对称性的破缺更容易诱发桥梁振动。仅从1818年到19世纪末，世界上由风引起的桥梁振动已至少毁坏了十多座悬索桥。2010年5月，俄罗斯伏尔加河大桥发生离奇晃动，桥面呈浪型翻滚，出现较为明显的左右晃动，另外法国的brotonne桥、丹麦的faro桥、日本的名港西桥以及我国的上海杨浦大桥、武汉长江二桥、南京长江二桥的拉索均发生过振幅很大的风致振动。大量研究和实践表明，大跨径悬索桥风致振动是正常现象，长期振动将造成结构件疲劳损坏，只能

4、设法抑制和减少，但是无法全部消除。对于大跨度桥梁主梁（桥面）来说，风致振动主要包括涡振、颤振、抖振、驰振。桥梁风致振动有两大类，强迫振动和自激振动;强迫振动又可以导致颤振、弛振和涡振，自激振动可以产生涡振和抖振。一般来说，当桥梁结构与空气振动耦合程度不高，或者桥梁结构振动影响较小时，主要导致桥梁结构的强迫振动随机抖振;当空气与桥梁结构相互影响巨大，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动颤振或者驰振。（1）颤振桥梁颤振是一种空气动力失稳现象。风的动力作用激发了桥梁结构的振动，振动的结构又反过来影响空气的流场、改变空气力，形成了风与结构的相互作用机制。当结构通过

5、气流的反馈作用不断从气流中获取能量，该能量又大于系统因机械阻尼所耗散的能量时，引起结构发散振动，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。（2）抖振抖振主要由大气中的紊流成分（即脉动风）所激起，是一种随机强迫振动。虽然是一种限幅振动，但由于发生抖振的风速低，频率大，会导致结构局部疲劳，影响行人和车辆行驶安全。随着桥梁跨度的增加，结构的柔性增加，抖振也会相应增大;且随着风速的增大，抖振相应（振幅及结构内力）会成倍增大。（3）驰振驰振是对于非圆形的边长比在一定范围内类似于矩形断面的钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能够从风流中不断吸收能量，当达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻

6、尼消耗的能量，形成一种分散的横风向单自由度弯曲自激振动。（4）涡激振动同抖振一样，涡激振动是桥梁在脉动风荷载作用下发生的限幅振动。涡激振动是由于风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构时有可能发生漩涡的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当涡激脱落频率接近或等于结构自振频率时，由此激发出结构共振。上述振动现象中，对大跨度桥梁产生较大危害的是颤振和涡振。拉索桥或者悬索桥是一种主梁（桥面）、支承塔柱受压、拉索受拉的结构体系，是一种由索、塔、梁三种基本构件组成的组合结构，都是承重构件。斜拉桥的结构体系决定了桥塔、拉索、主梁（桥面）三者相互影响，塔和梁借桥塔引出的斜拉索联结成整体结构，斜拉索作

7、为加劲梁跨间的弹性中间支承，其风致振动具有较强的组合效应。桥塔结构高耸、构形尺寸大、相对轻柔。现代斜拉桥多采用密索结构，拉索轻柔超长，重量轻，而斜拉索长短不一，降低了梁跨的载向弯矩，其固有频率的涵盖范围较宽泛，风致振动可能激发拉索的参数共振，拉索的风荷载与主梁（桥面）风荷载是两种主要风致振动组件，有时拉索的风荷载更为剧烈。如图1所示。2  虎门大桥风振u-triz功能分析虎门大桥是当时中国国内规模最大的公路桥梁，也是中国首座加劲钢箱梁悬索结构桥梁，其主跨长度居当时中国同类桥梁中的第一位，副跨长度居当时世界同类桥梁中的第一位。虎门大桥桥面净宽30m，设计速度为120km/h，道路规模为

8、双向六车道，设中央分隔带和紧急停车带，通行能力为12万辆次（小型客车）/d，防台等级为61m/s。虎门大桥在中国国内首次采用gps实时三维位移监测系统工程，桥装配了多通道强震动监测系统与报警系统，可实时监测桥梁结构振动状况和记录桥梁在地震时的反应。2.1  虎门大桥技术系统和超系统u-triz是由赵敏、张武城等为首的一批中国triz研究者，在分析、比较了多个国际triz流派的理论要点后，以经典triz和部分现代triz的精华为基础，合理取舍重组，结合客观世界中的“三元论（物质、能量、信息）”，经过理论创新后提出来的triz理论分支。“以功能为导向，以属性为核心”是该理论的精华和与众不

9、同之处。在分析解决疑难复杂问题上有较大优势。功能是把“发出动作的主体”去掉后，仅保留了“动作”和“作用对象”的一个抽象概念。功能分析是按照功能的基本定义，来建立所有系统组件模型相互作用的一种分析方式，通常分析的结果是要画出“功能分析图”。为了画好功能分析图，通常需要先明确发生问题的具体场景，以图示的方式清晰表示所分析对象（技术系统）的基本组成和与环境（超系统）之间的关系。虎门大桥技术系统和超系统组件，如图2所示。应用u-triz的功能分析，建立虎门大桥系统组件模型，即列出组成技术系统、子系统的各个组件以及相关的超系统中所有参与作用的组件，描述出各组件的系统所属关系。基于系统组件的相互关联性，系

10、统应该至少由两个系统组件（子系统或元件）所构成，如图3所示。虎门大桥主航道桥为单跨双铰简支钢箱梁悬索桥，为连续刚构梁式桥，由东西索塔、东西锚碇、主缆、吊索和加劲梁等五大结构部分组成。虎门大桥主缆主跨径888m，主缆直径687.2mm（孔隙率20%）;每根主缆由110束索股组成，每束索股含127根直径5.2mm钢丝，一般标准索股重34.8t。大桥吊索直径52mm、间距12m，边吊索距塔中心18m。大桥加劲梁箱梁宽35.6m，桥轴中心处梁高3.012m，桥面铺设6cm厚沥青混凝土;两桥塔处伸缩缝最大伸缩量为1.5m。东西索塔的每个塔桩底分别由16根直径为2m、12根直径为2m的钻孔灌注桩组成;东西

11、索塔从基顶面算起高147.55m、从桥面算起高89.66m;塔柱顶平面为边长5.6m正方形、底平面尺寸为5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下系梁为界分别为0.6m、0.75m和0.95m;东西锚碇承受主缆拉力分别为2×172600kn、2×174400kn。气流（风）、重力、江水和地基（江床）共同构成了虎门大桥的超系统环境。2.2  虎门大桥的系统组件及相互作用分析系统结构模型是在已经列出了所有必要的系统组件模型的基础上，描述各组件之间的相互作用关系人字网格交叉线。遍历每两个组件之间可能的相互作用关系，如图4所示。2.3  虎门大桥的系统功

12、能模型应用u-triz的系统功能模型分析，在系统结构模型的基础上，进一步识别其功能类别，并用不同的连线和箭头来把所有的系统组件之间所存在的功能，以“svo/vop”的标准格式表示出来，画出系统功能模型图。系统功能模型图是辅助我们进行功能分析、发现并消除不良功能的图示化工具。对从分析过程中所发现的系统中的有害功能必须首先予以消除;对于充分有用的功能必须予以确保实现或者予以增强。虎门大桥无风时的系统功能模型，如图5所示。2.4 系统组件的属性分析桥梁是处于大气边界层中的结构物，在自然风的作用下将产生振动响应，甚至造成结构毁坏、疲劳或过大变形及内力等问题。本文中主要针对虎门大桥的风振问题进行功能分析

13、，因此，针对振动的肇事者：风（功能载体）进行属性分析、风与桥梁组件的相互作用以及相互作用中产生的新属性分析。（1）风的自然属性风力是空气通过建筑结构所产生的空气动力现象，风灾是自然灾害的主要灾种之一，风的自然属性包括风力、风向、风量、风压以及交变性，风致振动的成因必须从风的属性入手，反复的风振动作用会导致桥梁结构或者结构件的破坏，与结构物的几何形状有密切关系。实际中常把风分为平均风（稳定风）和脉动风（阵风脉动）加以分析。平均风是风对桥梁结构物作用力的速度、方向均不随时间而改变的物理量;脉动风则是由于风的不规则性引起的，其强度和频率等属性参数是随时间按随机规律变化的。如图6所示。（2）风与桥梁组

14、件相互作用产生的新属性在风场中，风对桥梁结构造成的风荷载导致桥梁结构产生挠曲变形，这种挠曲实际上改变了流体流动的走向，从而改变了桥面不同截面的压差，造成桥梁风致振动，而振动起来的桥梁又可能反过来改变周围空气和压力，反过来又影响桥梁形变，这样形成了风与桥梁结构的耦合相互作用。因此，研究风对桥梁结构的动力作用主要就是研究气动力和桥梁结构运动之间的相互作用。例如：风的交变气流，对风中的物体，产生多种流体作用力，如卡门涡街效应。如图7所示。在满足桥梁承载力和结构稳定性的前提下，出于成本的考虑，相对于跨度而言，斜拉桥一般都设计得轻巧柔细，因此在力学本质上斜拉桥属于一种高度柔性结构，因此桥梁的大跨度柔性结

15、构必须考虑非线性因素计算和分析。如图8所示。斜拉桥轻柔的主缆、吊索随风摆动带动吊索底端上下起伏、风致摆动起伏都强烈地体现了桥梁柔性结构的非线性。在使用荷载作用下，斜拉桥各构件截面应力基本上仍处于弹性范围内，但斜拉桥往往已经产生了较大的结构变形，整个结构表现出较强的大位移小应变的几何非线性效应，且随着跨度不断增大这种非线性效应愈显著;此外，斜拉桥中大量使用较长的柔性斜索，无疑也增强了结构体系的非线性受力特征。如图9所示。风力分别作用于主缆、吊索和桥面产生的相互作用和相应运动表现，如表2所示：表2    风力作用于桥梁各组件的表現卡门涡街效应是桥梁在脉动风荷载作用下发生的限幅振

16、动，在主缆、吊索和桥面等处都可能会发生。卡门涡街效应的作用原理是由于风流经圆形、矩形、多边形等各种不同形状的断面时，其物体形状的钝体结构有可能发生风导致的漩涡脱落，出现钝体结构风荷载两侧交替变化的涡激力。当涡激脱落频率接近或等于结构的自振频率时，会激发出风荷载与桥梁结构的共振，导致桥面产生水平横向振动（摆动）。如图10所示。一旦涡激共振产生，就会产生结构的振动频率对漩涡的脱落频率的反馈作用，使得漩涡脱落的频率在相当长的风速范围内被结构的振动频率所“俘获”，从而产生结构的振动频率被“锁死”现象，这种现象进一步加剧了涡激共振效应，进一步拓宽了风的频率范围，进一步导致了桥面的水平竖向振动（波浪形振动

17、），如图11所示。当桥面的水平横向振动与水平竖向振动叠加后，因为前面局部结构和阻尼的影响，会进一步形成水平方向的限幅扭转振动扭振（参见下面旧塔科马大桥案例），对大桥结构产生很强的、具有马太效应的破坏作用，最终导致缆索和桥面断裂，大桥坍塌。当空气力受结构振动影响较小时，空气力作为一种强迫力，主要导致桥梁结构的强迫振动随机抖振;当空气力受结构振动影响较大时，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动颤振或者驰振。这两种振动如果长期存在，将对某些桥梁结构件造成微观上的疲劳损坏，最终损坏大桥结构。3  桥梁风致振动案例解析3.1  旧塔科马大桥的纵波

18、振动与扭振以著名的旧塔科马海峡大桥（old tacoma narrows bridge）为例：旧塔科马海峡大桥为细长型桥梁，该桥的宽跨比为1/71.6，高跨比为1/348。该桥的类 h 型板梁的抗扭刚度几乎等于零，因此，即使增加了中央扣和桥塔处的液压缓冲器等抑振措施，但是细柔性桥梁仍然在很低的风速下也出现了水平竖向振动。旧塔科马大桥于低风速自然风作用下的毁坏，旋涡沿桥面的“飘移”，而使得升力的作用点随旋涡同时漂移，进而使升力产生的扭转力矩作功由负向正转化，宏观上造成了主梁（桥面）的颤振扭转失稳。先发生竖向振动，继而转变为限幅扭转振动，并最终发生扭转失稳，竖向振动的形式与涡激振动特性相符。如图1

19、2所示。国内研究比较趋向于认定自激气动力说是桥梁振动的直接原因，而根本原因则是置于流场中的断面周围形成的复杂旋涡。就旧塔科马桥而言，由于中间腹板的存在，而使得气流在通过迎风侧翼缘和背风侧翼缘时会形成两种不同形式的旋涡即单剪切流形成的旋涡和双剪切流发生的旋涡是共存。这次教训使科学家和桥梁工程师们认识到，悬索桥的加劲主梁（桥面）必须具有足够的扭转刚度和气动性能良好的断面型式，并一致认为板式加劲主梁（桥面）具有气动不稳定性。3.2  伏尔加河大桥“波浪形抖动”伏尔加河大桥于2009年10月10日竣工通车，大桥全长7km。2010年5月19日晚，大桥桥面突然发生离奇的“蛇形共振”水平竖向振动

20、，大桥晃动呈波浪型，上下幅度达1m，并发出震耳欲聋的声音。当天伏尔加格勒是多云，强风的天气，大桥共振现象可能因风波动和负载所共振而发生。4  桥梁风致振动u-triz解决方案4.1  功能的规范化定义与再抽象从svo、vo到vp应用u-triz功能分析，桥梁风致振动的最终结果是导致桥面的横向水平振动、竖向水平振动和扭转振动，因此，采取何种措施控制桥面稳定性是u-triz的终极目的。按照u-triz的创新思维“归纳-演绎”中的“凝练概念模型”步骤。采用语义表达（1）基本语义表达：首先假定采用阻尼来控制桥梁的稳定性。因此“阻尼控制桥梁”是实现该功能的完整语句。但是该语义表达存在

21、缺陷：一是首先假定了语义表达的主语“阻尼”，二是没有说明控制桥梁的何种属性。讨论一个技术系统的功能时，应该聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。（2）将s主语去掉，真正定义功能。（3）对动词v和作用对象的规范化，即清晰描述控制物质的属性，抽象“桥梁”为一般物质。把功能抽象出来的好处是，可以把具体问题一般化处理，形成一般化的问题，其引导思考更为广泛的、多样化的功能解决方案，去寻找广义的、更多类型u-triz所定义的功能的实现。（4）对物质属性和参数的规范化，即清晰描述操控物质的动作，“控制”修改为“稳定”，控制物质的稳定性就是要使物质保持原有位置的能力，这样描述更加刻画了语义表达的本质。依据“稳定

22、·位置”，检索“属性参数-效应-功能”表，得到83个效应，如图13所示。从中可以挑选合适的原理解和概念解，进而在选定的原理解或者概念解之上尋找更为合适的技术系统来实现既定功能，即寻找技术体系的真正应用场景和主语s。4.2  讨论解决方案1保持桥梁稳定是对桥梁风致振动的终极目的，但是根据经验，已经实施了很多保持桥梁稳定的方法，很多措施的实施效果也很不错。（1）改变桥面形状桥面扭曲和振动是风致振动的最终体现，而桥面的结构和形状也是风致振动的最直接的属性，因此，改变桥面与风之间的相互作用的属性能产生直接的止振效果。如图14所示。（2）增加阻尼增加阻尼可以提高气动稳定性或者降低风振

23、响应，是消减振动的常用方案，如，台湾101大楼阻尼器。阻尼有调谐式和非调谐式，调谐质量阻尼器 （tuned mass damper，简称tmd），相当于增加结构阻尼。一般来说，风速区间、振幅和攻角是与涡振密切相关的三个因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有较大振幅的振动。悬索桥固有阻尼很小，容易出现涡振，而且阻尼比随着模态频率升高而降低。阻尼比离散性很大，大型桥梁的阻尼比有待于进一步研究。阻尼器实体进化路径：固粉液气场目前阻尼发展出了更多类型：涡流阻尼，摆，质量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本东京湾大桥tmd采用液压粘滞阻尼器抑制涡激振动。如图15所示。阻

24、尼器场进化路径：机声热化电磁电磁（3）改变自身固有频率，消减振动当激励频率与固有频率相等或者接近时，才会发生共振。因此，共振频率不一定完全与固有频率相等，共振频率是以外界的激励频率来衡量的，而固有频率是从桥梁结构角度谈论的。在很多情况下，共振不是发生在单一频率（固有频率）处，而是具有一定宽度的共振带。也就是存在一个频率区间，在这个区间内容易发生共振。一般认为，当激励频率大于固有频率40%以上时才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。当外界激励频率无法更改时，我们可以改变自身固有频率消减振动。增加阻尼会影响桥梁的阻尼比，但是阻尼对桥梁的固有频率影响不大。而要改变桥梁的固有频率，增加结构措施，需

25、要从结构、大小、形状等因素考虑，增加结构的总体刚度，如质量、中央扣、辅助索等。例如：辅助索用数道细索将部分或者全部主索连接起来，通过将原本独立的各主索彼此联成一个索网，使原来主索独立的振动被约束成索网系统的整体振动，从而提高主索的刚度。如图16所示。（4）设法不让各种组件振动的频率不同，避免共振4.3  讨论解决方案2（1）改变桥面形状，添加多种机械装置，达到效应：平衡，机械力等等。（2）既有方案添加多种形状的阻风板、扰流板。气动措施：改善桥梁结构的绕流特性，从而减小激励外力，如开敞式桥面、风嘴、中央稳定版、导流板、拉索的表面加工。（3）新方案添加空气囊;改变表面形状（鲨鱼皮结构微型

26、装置）;破除涡流的锯齿结构;中间增加钢链定位装置等。（4）物理矛盾既要有改变桥面形状的板、囊、齿等装置，又要不改变。（5）采用条件分离原理强风时有，常态时无。可充气异形气囊;可收缩和摆动的阻风板;可收缩的破除涡流齿;可旋转收放钢链（下落连接江中的重物，机械约束振幅最大的中间位置）等。4.4  讨论解决方案3（1）改变自身固有频率，消减振动，增加阻尼是消减振动的常用方案阻尼，涡流阻尼，摆，质量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼（2）既有方案摆放水马，增加機械阻尼装置。（3）新方案桥面下方加装空水箱;增加可动配重，加装电磁阻尼器。（4）物理矛盾既要有改变桥面固有频率的各类阻尼装置，又要

27、不改变。（5）采用条件分离原理强风时有，常态时无。桥面下方增加多个空水箱，联通水管，强风时抽江水给水箱注水。增加可动配重，无风时分列桥塔两侧，有风时牵引至桥面下方中央位置。电磁阻尼器感知现场振动波，实时生成并叠加反向振动波，抑制振幅。参考文献：1虎门大桥启用红绿灯成中国高速公路首例.中国新闻网.2018-02-02.2018-3-272广东交通集团：虎门大桥振动系涡振现象 悬索桥结构安全-新华网.2020-5-63今日9时，虎门大桥恢复交通.深圳新闻网.2020-5-154虎门大桥今天恢复交通，振动原因正式公布2020-05-16 20：16澎湃新eb/ol.https：/5https：/6虎

28、门大桥最大振幅31厘米 司机：像坐过山车让人想吐.新京报2020-05-08 08：07：38 eb/ol.https：/7赵敏，张武城，王冠殊.triz进阶及实战大道至简的发明方法m.机械工业出版社.2016.1.8张靖.“旧tacoma桥风振过程及演化机理初探”d.西南交通大学，2018.6.9胡晓伦.大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析d.同济大学博士学位论文，2006.9.10姜天华.大跨度桥梁风致振动控制研究d.武汉理工大学，2009.5.11徐家云.大跨度桥梁风致竖向抖振控制研究j.武汉理工大学学报，2014（1）.12邹传伍.大型桁架式桥梁检测车风载荷下稳定性分析及主动防摆研究

29、d.长安大学，2018.6.13董锦坤.结构驰振理论分析及风振控制d.东北大学，2005.614吉敏.浅谈当前形势下桥梁结构风振控制与设计要点j.建材发展导向j.2018（4）.15谢晓辉.桥梁结构风振控制与设计j.桥隧工程，2018（12）.16徐洪涛.山区峡谷风特性参数及大跨度桁梁桥风致振动研究d.西南交通大学，2009.7.17钱启蒙.大跨度辐射形斜拉管桥风振响应研究d.西南石油大学，2018.5.2020年5月5日下午，我国虎门大桥出现桥梁涡振现象，当日风力5至6级，最高达到6级（6级风速为10.813.8m/s）。直至6日凌晨，虎门大桥仍有肉眼可见的轻微振动。12日，专家权威发布大桥

30、振动原因，并表示关键桥梁构件未发生异常，桥梁结构总体安全。16日，虎门大桥恢复通航。虎门大桥是连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥，为珠江三角洲地区环线高速公路重要组成部分，于1997年建成通车，防撞等级为30mn，防震等级为7级，防台等级为61m/s，车流量大，常处于饱和状态。1  桥梁风致振动成因和振动类型此次虎门大桥的振动是由于风致引起。为了避开超深水基础的施工困难和满足超大型船舶的通航要求，同时考虑施工和造价问题，国内外大力兴建大跨径钢构桥，桥梁结构向着跨度更大、更柔性的方向发展。如表1所示。表1    国内外大跨径桥梁更大跨度、更加柔性的桥梁结构会使

31、桥梁周围空气绕流对称性的破缺更容易诱发桥梁振动。仅从1818年到19世纪末，世界上由风引起的桥梁振动已至少毁坏了十多座悬索桥。2010年5月，俄罗斯伏尔加河大桥发生离奇晃动，桥面呈浪型翻滚，出现较为明显的左右晃动，另外法国的brotonne桥、丹麦的faro桥、日本的名港西桥以及我国的上海杨浦大桥、武汉长江二桥、南京长江二桥的拉索均发生过振幅很大的风致振动。大量研究和实践表明，大跨径悬索桥风致振动是正常现象，长期振动将造成结构件疲劳损坏，只能设法抑制和减少，但是无法全部消除。對于大跨度桥梁主梁（桥面）来说，风致振动主要包括涡振、颤振、抖振、驰振。桥梁风致振动有两大类，强迫振动和自激振动;强迫振

32、动又可以导致颤振、弛振和涡振，自激振动可以产生涡振和抖振。一般来说，当桥梁结构与空气振动耦合程度不高，或者桥梁结构振动影响较小时，主要导致桥梁结构的强迫振动随机抖振;当空气与桥梁结构相互影响巨大，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动颤振或者驰振。（1）颤振桥梁颤振是一种空气动力失稳现象。风的动力作用激发了桥梁结构的振动，振动的结构又反过来影响空气的流场、改变空气力，形成了风与结构的相互作用机制。当结构通过气流的反馈作用不断从气流中获取能量，该能量又大于系统因机械阻尼所耗散的能量时，引起结构发散振动，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。（2）抖振抖振主要由大气

33、中的紊流成分（即脉动风）所激起，是一种随机强迫振动。虽然是一种限幅振动，但由于发生抖振的风速低，频率大，会导致结构局部疲劳，影响行人和车辆行驶安全。随着桥梁跨度的增加，结构的柔性增加，抖振也会相应增大;且随着风速的增大，抖振相应（振幅及结构内力）会成倍增大。（3）驰振驰振是对于非圆形的边长比在一定范围内类似于矩形断面的钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能够从风流中不断吸收能量，当达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻尼消耗的能量，形成一种分散的横风向单自由度弯曲自激振动。（4）涡激振动同抖振一样，涡激振动是桥梁在脉动风荷载作用下发生的限幅振动。涡激振动是由于风流经各种

34、断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构时有可能发生漩涡的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当涡激脱落频率接近或等于结构自振频率时，由此激发出结构共振。上述振动现象中，对大跨度桥梁产生较大危害的是颤振和涡振。拉索桥或者悬索桥是一种主梁（桥面）、支承塔柱受压、拉索受拉的结构体系，是一种由索、塔、梁三种基本构件组成的组合结构，都是承重构件。斜拉桥的结构体系决定了桥塔、拉索、主梁（桥面）三者相互影响，塔和梁借桥塔引出的斜拉索联结成整体结构，斜拉索作为加劲梁跨间的弹性中间支承，其风致振动具有较强的组合效应。桥塔结构高耸、构形尺寸大、相对轻柔。现代斜拉桥多采用密索结构，拉索轻柔超长，重量轻，而斜拉索长短

35、不一，降低了梁跨的载向弯矩，其固有频率的涵盖范围较宽泛，风致振动可能激发拉索的参数共振，拉索的风荷载与主梁（桥面）风荷载是两种主要风致振动组件，有时拉索的风荷载更为剧烈。如图1所示。2  虎门大桥风振u-triz功能分析虎门大桥是当时中国国内规模最大的公路桥梁，也是中国首座加劲钢箱梁悬索结构桥梁，其主跨长度居当时中国同类桥梁中的第一位，副跨长度居当时世界同类桥梁中的第一位。虎门大桥桥面净宽30m，设计速度为120km/h，道路规模为双向六车道，设中央分隔带和紧急停车带，通行能力为12万辆次（小型客车）/d，防台等级为61m/s。虎门大桥在中国国内首次采用gps实时三维位移监测系统工程

36、，桥装配了多通道强震动监测系统与报警系统，可实时监测桥梁结构振动状况和记录桥梁在地震时的反应。2.1  虎门大桥技术系统和超系统u-triz是由赵敏、张武城等为首的一批中国triz研究者，在分析、比较了多个国际triz流派的理论要点后，以经典triz和部分现代triz的精华为基础，合理取舍重组，结合客观世界中的“三元论（物质、能量、信息）”，经过理论创新后提出来的triz理论分支。“以功能为导向，以属性为核心”是该理论的精华和与众不同之处。在分析解决疑难复杂问题上有较大优势。功能是把“发出动作的主体”去掉后，仅保留了“动作”和“作用对象”的一个抽象概念。功能分析是按照功能的基本定义，

37、来建立所有系统组件模型相互作用的一种分析方式，通常分析的结果是要画出“功能分析图”。为了画好功能分析图，通常需要先明确发生问题的具体场景，以图示的方式清晰表示所分析对象（技术系统）的基本组成和与环境（超系统）之间的关系。虎门大桥技术系统和超系统组件，如图2所示。应用u-triz的功能分析，建立虎门大桥系统组件模型，即列出组成技术系统、子系统的各个组件以及相关的超系统中所有参与作用的组件，描述出各组件的系统所属关系。基于系统组件的相互关联性，系统应该至少由两个系统组件（子系统或元件）所构成，如图3所示。虎门大桥主航道桥为单跨双铰简支钢箱梁悬索桥，为连续刚构梁式桥，由东西索塔、东西锚碇、主缆、吊索

38、和加劲梁等五大结构部分组成。虎门大桥主缆主跨径888m，主缆直径687.2mm（孔隙率20%）;每根主缆由110束索股组成，每束索股含127根直径5.2mm钢丝，一般标准索股重34.8t。大桥吊索直径52mm、间距12m，边吊索距塔中心18m。大桥加劲梁箱梁宽35.6m，桥轴中心处梁高3.012m，桥面铺设6cm厚沥青混凝土;两桥塔处伸缩缝最大伸缩量为1.5m。东西索塔的每个塔桩底分别由16根直径为2m、12根直径为2m的钻孔灌注桩组成;东西索塔从基顶面算起高147.55m、从桥面算起高89.66m;塔柱顶平面为边长5.6m正方形、底平面尺寸为5.6m×8.5m;塔柱壁厚以上、中、下

39、系梁为界分别为0.6m、0.75m和0.95m;东西锚碇承受主缆拉力分别为2×172600kn、2×174400kn。气流（风）、重力、江水和地基（江床）共同构成了虎门大桥的超系统环境。2.2  虎门大桥的系统组件及相互作用分析系统结构模型是在已经列出了所有必要的系统组件模型的基础上，描述各组件之间的相互作用关系人字网格交叉线。遍历每两个组件之间可能的相互作用关系，如图4所示。2.3  虎门大桥的系统功能模型应用u-triz的系统功能模型分析，在系统结构模型的基础上，进一步识别其功能类别，并用不同的连线和箭头来把所有的系统组件之间所存在的功能，以“svo

40、/vop”的标准格式表示出来，画出系统功能模型图。系统功能模型图是辅助我们进行功能分析、发现并消除不良功能的图示化工具。对从分析过程中所发现的系统中的有害功能必须首先予以消除;对于充分有用的功能必须予以确保实现或者予以增强。虎门大桥无风时的系统功能模型，如图5所示。2.4 系统组件的属性分析桥梁是处于大气边界层中的结构物，在自然风的作用下将产生振动响应，甚至造成结构毁坏、疲劳或过大变形及内力等问题。本文中主要针对虎门大桥的风振问题进行功能分析，因此，针对振动的肇事者：风（功能载体）进行属性分析、风与桥梁组件的相互作用以及相互作用中产生的新属性分析。（1）风的自然属性风力是空气通过建筑结构所产生

41、的空气动力现象，风灾是自然灾害的主要灾种之一，风的自然属性包括风力、风向、风量、风压以及交变性，风致振动的成因必须从风的属性入手，反复的风振动作用会导致桥梁结构或者结构件的破坏，与结构物的几何形状有密切关系。实际中常把风分为平均风（稳定风）和脉动风（阵风脉动）加以分析。平均风是风对桥梁结构物作用力的速度、方向均不随时间而改变的物理量;脉动风则是由于风的不规则性引起的，其强度和频率等属性参数是随时间按随机规律变化的。如图6所示。（2）风与桥梁组件相互作用产生的新属性在风场中，风对桥梁结构造成的风荷载导致桥梁结构产生挠曲变形，这种挠曲实际上改变了流体流动的走向，从而改变了桥面不同截面的压差，造成桥

42、梁风致振动，而振动起来的桥梁又可能反过来改变周围空气和压力，反过来又影响桥梁形变，这样形成了风与桥梁结构的耦合相互作用。因此，研究风对桥梁结构的动力作用主要就是研究气动力和桥梁结构运动之间的相互作用。例如：风的交变气流，对风中的物体，产生多种流体作用力，如卡门涡街效应。如图7所示。在满足桥梁承载力和结构稳定性的前提下，出于成本的考虑，相对于跨度而言，斜拉桥一般都设计得轻巧柔细，因此在力学本质上斜拉桥属于一种高度柔性结构，因此桥梁的大跨度柔性结构必须考虑非线性因素计算和分析。如图8所示。斜拉桥轻柔的主缆、吊索随风摆动带动吊索底端上下起伏、风致摆动起伏都强烈地体现了桥梁柔性结构的非线性。在使用荷载

43、作用下，斜拉桥各构件截面应力基本上仍处于弹性范围内，但斜拉桥往往已经产生了较大的结构变形，整个结构表现出较强的大位移小应变的几何非线性效应，且随着跨度不断增大这种非线性效应愈显著;此外，斜拉桥中大量使用较长的柔性斜索，无疑也增强了结构体系的非线性受力特征。如图9所示。风力分别作用于主缆、吊索和桥面产生的相互作用和相应运动表现，如表2所示：表2    风力作用于桥梁各组件的表现卡门涡街效应是桥梁在脉动风荷载作用下发生的限幅振动，在主缆、吊索和桥面等处都可能会发生。卡门涡街效应的作用原理是由于风流经圆形、矩形、多边形等各种不同形状的断面时，其物体形状的钝体结构有可能发生风导致的

44、漩涡脱落，出现钝体结构风荷载两侧交替变化的涡激力。当涡激脱落频率接近或等于结构的自振频率时，会激发出风荷载与桥梁结构的共振，导致桥面产生水平横向振动（摆动）。如图10所示。一旦涡激共振产生，就会产生结构的振动频率对漩涡的脱落频率的反馈作用，使得漩涡脱落的频率在相当长的风速范围内被结构的振动频率所“俘获”，从而产生结构的振动频率被“锁死”现象，这种现象进一步加剧了涡激共振效应，进一步拓宽了风的频率范围，进一步导致了桥面的水平竖向振动（波浪形振动），如图11所示。当桥面的水平横向振动与水平竖向振动叠加后，因为前面局部结构和阻尼的影响，会进一步形成水平方向的限幅扭转振动扭振（参见下面旧塔科马大桥案例

45、），对大桥结构产生很强的、具有马太效应的破坏作用，最终导致缆索和桥面断裂，大桥坍塌。当空气力受结构振动影响较小时，空气力作为一种强迫力，主要导致桥梁结构的强迫振动随机抖振;当空气力受结构振动影响较大时，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动颤振或者驰振。这两种振动如果长期存在，将对某些桥梁结构件造成微观上的疲劳损坏，最终损坏大桥结构。3  桥梁风致振动案例解析3.1  旧塔科马大桥的纵波振动与扭振以著名的旧塔科马海峡大桥（old tacoma narrows bridge）为例：旧塔科马海峡大桥为细长型桥梁，该桥的宽跨比为1/71.6，高

46、跨比为1/348。该桥的类 h 型板梁的抗扭刚度几乎等于零，因此，即使增加了中央扣和桥塔处的液压缓冲器等抑振措施，但是细柔性桥梁仍然在很低的风速下也出现了水平竖向振动。旧塔科马大桥于低风速自然风作用下的毁坏，旋涡沿桥面的“飘移”，而使得升力的作用点随旋涡同时漂移，进而使升力产生的扭转力矩作功由负向正转化，宏观上造成了主梁（桥面）的颤振扭转失稳。先发生竖向振动，继而转变为限幅扭转振动，并最终发生扭转失稳，竖向振动的形式与涡激振动特性相符。如图12所示。國内研究比较趋向于认定自激气动力说是桥梁振动的直接原因，而根本原因则是置于流场中的断面周围形成的复杂旋涡。就旧塔科马桥而言，由于中间腹板的存在，而

47、使得气流在通过迎风侧翼缘和背风侧翼缘时会形成两种不同形式的旋涡即单剪切流形成的旋涡和双剪切流发生的旋涡是共存。这次教训使科学家和桥梁工程师们认识到，悬索桥的加劲主梁（桥面）必须具有足够的扭转刚度和气动性能良好的断面型式，并一致认为板式加劲主梁（桥面）具有气动不稳定性。3.2  伏尔加河大桥“波浪形抖动”伏尔加河大桥于2009年10月10日竣工通车，大桥全长7km。2010年5月19日晚，大桥桥面突然发生离奇的“蛇形共振”水平竖向振动，大桥晃动呈波浪型，上下幅度达1m，并发出震耳欲聋的声音。当天伏尔加格勒是多云，强风的天气，大桥共振现象可能因风波动和负载所共振而发生。4  桥

48、梁风致振动u-triz解决方案4.1  功能的规范化定义与再抽象从svo、vo到vp应用u-triz功能分析，桥梁风致振动的最终结果是导致桥面的横向水平振动、竖向水平振动和扭转振动，因此，采取何种措施控制桥面稳定性是u-triz的终极目的。按照u-triz的创新思维“归纳-演绎”中的“凝练概念模型”步骤。采用语义表达（1）基本语义表达：首先假定采用阻尼来控制桥梁的稳定性。因此“阻尼控制桥梁”是实现该功能的完整语句。但是该语义表达存在缺陷：一是首先假定了语义表达的主语“阻尼”，二是没有说明控制桥梁的何种属性。讨论一个技术系统的功能时，应该聚焦在其最基本、最直接的相互作用上。（2）将s主

49、语去掉，真正定义功能。（3）对动词v和作用对象的规范化，即清晰描述控制物质的属性，抽象“桥梁”为一般物质。把功能抽象出来的好处是，可以把具体问题一般化处理，形成一般化的问题，其引导思考更为广泛的、多样化的功能解决方案，去寻找广义的、更多类型u-triz所定义的功能的实现。（4）对物质属性和参数的规范化，即清晰描述操控物质的动作，“控制”修改为“稳定”，控制物质的稳定性就是要使物质保持原有位置的能力，这样描述更加刻画了语义表达的本质。依据“稳定·位置”，检索“属性参数-效应-功能”表，得到83个效应，如图13所示。从中可以挑选合适的原理解和概念解，进而在选定的原理解或者概念解之上寻找更

50、为合适的技术系统来实现既定功能，即寻找技术体系的真正应用场景和主语s。4.2  讨论解决方案1保持桥梁稳定是对桥梁风致振动的终极目的，但是根据经验，已经实施了很多保持桥梁稳定的方法，很多措施的实施效果也很不错。（1）改变桥面形状桥面扭曲和振动是风致振动的最终体现，而桥面的结构和形状也是风致振动的最直接的属性，因此，改变桥面与风之间的相互作用的属性能产生直接的止振效果。如图14所示。（2）增加阻尼增加阻尼可以提高气动稳定性或者降低风振响应，是消减振动的常用方案，如，台湾101大楼阻尼器。阻尼有调谐式和非调谐式，调谐质量阻尼器 （tuned mass damper，简称tmd），相当于增加结构阻尼。一般来说，风速区间、振幅和攻角是与涡振密切相关的三个因素，0o、±3 o、±5 o攻角下均有较大振幅的振动。悬索桥固有阻尼很小，容易出现涡振，而且阻尼比随着模态频率升高而降低。阻尼比离散性很大，大型桥梁的阻尼比有待于进一步研究。阻尼器实体进化路径：固粉液气场目前阻尼发展出了更多类型：涡流阻尼，擺，质量阻尼器，斯托克布里奇阻尼器，粘性阻尼等。例如日本东京湾大桥tmd采用液压粘滞阻尼器抑制涡激振动。如图15所示。阻尼器场进化路径：机声热化电磁电磁（3）改变自身