收稿日期:2001-11-10作者简介:项海帆(1935-),男,浙江杭州人,教授,博士生导师,中国工程院院士.进入21世纪的桥梁风工程研究项海帆(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)摘要:对21世纪初桥梁风工程的重点方向进行展望,从桥梁风振理论的精细化、桥梁风振机理研究、计算流体动力学(CFD)的应用、气动参数识别的改进和超大跨度桥梁的抗风对策等几个方面说明其重要性以及研究的主攻方向,以期在新世纪初利用我国大规模桥梁建设的有利形势,使我国的桥梁风工程研究通过创新,实现跨越式前进,达到世界先进水平.关键词:大跨度桥梁;风工程;展望中图分类号:U 441.3 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2002)05-0529-04Study on Bridge Wind Engineering into 21st CenturyX IANG H ai -f an(State Key Lab oratory for Disaster Red uction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract :The paper presents a prospect on the bridge w ind engineering in the beginning of the 21stcentury,which in -cludes several researc h aspects such as the refinement to the theory of wind-induc ed vibration,the mechanism of wind -induced vibration,the c omputational fluid dynamic s applications,the modification in identifying aerodynamic parame -ters and the wind-resistant c ountermeasures for super long-span ing the favorable situation of large scale bridge c onstruction into new century,the study on bridge w ind engineering in China may be expected to have a big step progress through innovative efforts and to reach the world .s advanced level.Key words :longspan bridges;w ind engineering;prospect在20世纪桥梁工程取得巨大成就的基础上,21世纪的世界桥梁工程将进入建设跨海联岛工程的新时期.日本和丹麦两个岛国是先驱者,日本本州)四国联络线工程和丹麦大小海带桥的建成是20世纪的里程碑,日本和丹麦也由此成为后起之秀的世界桥梁强国.在21世纪上半叶,已经规划多年的洲际跨海工程,如欧非直布罗陀海峡通道,欧亚博斯普鲁斯海峡第三通道以及欧美白令海峡工程将有可能付诸实现.在欧洲,英伦三岛、挪威沿海诸岛、德国和丹麦之间的费曼海峡以及意大利的墨西拿海峡也都将实施跨海工程建设.在亚洲,东北亚的日本和朝鲜有可能通过朝鲜海峡的跨海工程建设陆路通道.日本继本四联络线后还将实施/第二国土轴0计划,通过多座跨海(海峡和海湾)工程建设沿太平洋海岸的高速公路干线.中国的崛起令世界瞩目.在完成五纵七横主干公路网建设的同时,也已开始跨海工程的前期工作.如上海的崇明越江通道和杭州湾通道,珠江口的伶仃洋通道都在进行工程可行性的研究,舟山联岛工程也已开始实施.可以预计21世纪的中国将在桥梁建设中做出辉煌的成就,屹立于世界桥梁强国之列.21世纪的跨海大桥工程中将会出现许多超大跨度的斜拉桥和悬索桥,以避开超深水基础的困难和满足超大型船舶的通航要求,这就给桥梁风工程研究带来新的挑战.在台风多发的海域建造柔性的超大跨度桥梁,抗风安全将是最重要的控制因素.目前普遍采用的由Scanlan 和Davenport 于20世纪60年代建立第30卷第5期2002年5月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.30No.5 M ay 2002530同济大学学报第30卷起来的桥梁风振理论框架是否需要补充和改进,以适应超大跨度桥梁的抗风设计是一个令人关注的课题.本文将对21世纪初桥梁风工程研究的重点进行展望,以便明确努力方向,为跨海工程建设做好抗风设计的理论和实验准备[1~4].1桥梁风振理论的精细化由Scanlan和Davenport于20世纪60年代建立的桥梁风振理论框架是基于非变形结构和线性气动力模型的线性确定性模态分析方法.在颤振分析中一般都不考虑紊流的影响,也不考虑风载引起的结构变形和附加攻角的作用.日本Miyata在进行明石海峡大桥的全桥模型试验中观察到在发生颤振前桥面已存在十分明显的侧向弯扭变形.这种因风的静力作用而产生的结构变形改变了桥梁的姿态,产生了沿桥跨方向不同的附加攻角.此外,大跨度斜拉桥的全桥气弹试验中还应考虑作用在斜拉索上的风载对变形的影响.用迭代的方法很容易跟踪随风速增加结构的变形,并考虑这一几何非线性对气动力作用、结构动力特性以及颤振临界风速的效应.同济大学在进行江阴长江大桥的抗风研究和风洞试验中注意考察了这种结构几何非线性效应,得到了有意义的结果.应当指出的是:目前通用的包含气动导数的自激力和准定常形式的抖振力是忽略了非线性项的线性表达式.随着跨度的增加,结构的变形和振幅都达到了米的量级,是否需要建立更加精确的气动力表达式是值得考虑的,特别是用现有理论分析抖振响应和实测结果有较大的误差,而且跨度愈大误差也愈大.因此可能要抛开机翼颤振和抖振的理论框架,寻找更为适合柔性的超大跨度桥梁风和结构相互作用及其非线性气动力表达式,使理论分析和实测达到一致,以便为实现精确的时域分析、数值风洞和更进一步的虚拟现实(VR)奠定更科学和坚实的理论基础.2桥梁风振机理研究T acoma桥风毁后组成了旨在为弄清事故原因的调查委员会.当时已经建立起来的航空空气动力学基础理论已被用来作为解释风毁机理的武器.由于邀请了流体力学家Von Karman参加调查委员会,在提交的报告中暗示旋涡脱落可能是激起振动的主要原因.节段试验也表明:如果去掉迎风面的主梁,扭转振动的发散将消失.于是此后的一些空气动力学著作都认为卡门涡街是造成Tacoma桥风毁的主要原因.直至1971年Scanlan发现了钝体断面的扭转负阻尼现象,并指出涡激振动只能用来解释该桥失稳前出现的较低风速时的弯曲振动现象,而与扭转振动发散无关.一直到1990年Tacom a桥风毁50周年之际,英国Wy att著文指出:平板的古典耦合颤振和钝体断面的扭转颤振是两种不同的机制.尽管通过风洞试验能保证安全的抗风设计,但流体和结构的相互作用机理仍是不清楚的.在20世纪90年代,日本M atsumoto对各种桥梁断面进行了仔细的流态和颤振形态的研究,分析了弯扭耦合的不同比例及其对颤振的影响,在实验中发现了涡的形成和沿桥面的飘移过程.丹麦Larsen利用所开发的DVMFLOW软件,用数值模拟方法揭示了Tacoma桥断面流体和结构相互作用的全过程.研究表明:卡门涡街不能对扭转振动的发散负责,但涡流沿桥面的飘移却会使升力的作用点同时飘移,造成升力矩从正向负转化,当涡的间距和桥面宽度达到一定配合关系将激起发散的扭转振动,这也正是扭转阻尼从正变负的原因.可以说,这一新研究为T acoma桥风毁提供了更科学和微观的解释.对风致振动的机理研究一般都滞后于控制风振有效对策的研究,如上述的颤振机理、拉索的参数振动和雨振等.然而,弄清风振的激振机理是结构风工程研究的重要任务,只有机理研究清楚了,才有可能建立起从平板到钝体断面统一的风振理论.对于处于中间状态的各种桥梁断面以及添加了各种导流制振措施的复杂断面有一个连续的、无矛盾的处理方法.为此目的,还要继续努力,不断改进现有的理论框架,以逐步弄清桥梁的各种风振机理.3计算流体动力学(CFD)的应用20世纪90年代初,从航空领域引入土木结构的计算流体动力学(CFD)技术已取得了初步的进展,丹麦的Walther 和Larsen 率先开发了基于离散涡法的DVMFLOW 软件,用于大海带桥的风振分析获得成功;随后,同济大学也开发了基于有限元法的空气弹性力学分析软件,对江阴长江大桥、南京长江二桥和润扬长江大桥等进行了气动选型、气动参数识别和风振分析,并与风洞试验作了对比,取得了比较满意的结果.实践表明:CFD 技术对于初步设计阶段的气动选型、设计独立审核工作、风振机理研究以及今后过渡到/数值风洞0都是十分有效的工具和重要的过程.对于/数值风洞0的前景尚有不同的看法:一方面用于数值分析的钝体气动力模型还不够精确和完善,气动参数的识别也存在着不确定性,需要继续改进,完全依靠数值模拟来获得必需的结构气动参数还有困难;另一方面,风洞试验技术的进步使试验周期和费用相对于/数值风洞0仍具有竞争力,对结果的可信度也并不逊色.因此,在今后的一定时期内,可能仍以风洞试验为主要手段,辅以/数值风洞0的适当作用.是否可以预期,随着钝体空气动力学在理论和算法上的不断进步,大容量的并行计算机更为普及以后,/数值风洞0,甚至更为先进的虚拟现实技术有可能替代风洞试验方法成为桥梁抗风设计的主要手段.人们将在屏幕上预见大桥在灾害气候条件下的振动景象,并据此判断结构的抗风安全.不管怎样,数值模拟是信息时代的主要特征,数值风洞的发展前景是毋庸置疑的.应该积极努力地推动这一技术的进步.4 气动参数识别的改进自从1971年Scanlan 和Tomco 发表了5机翼和桥面气动导数6的著名论文以来,桥梁气动导数识别的试验技术和识别算法都有了许多创新和改进,但从实践中人们仍感到有许多不确定性,影响到参数的精度.缺少有力的验证是重要的原因.除了平板的气动导数有理论解可以作为实测的验证外,对于其余的桥梁断面的气动导数,无法估计其误差,只能通过全桥气弹模型试验的结果来间接地检验利用实测气动导数得出的颤振分析结果,但前者也有风洞模拟、模型制作和相似等方面的问题,难以作为精确的准绳.气动导纳函数是一个和抖振分析密切相关的重要参数.然而,除了少数几个探索性的研究外,对于抖振响应的分析仍是一种估算,停留在1962年Davenport 建立的用Sears 函数(Liepmann 表达式)考虑气动导纳修正的最初框架上,至今没有实用性的成果,这确实是难以想象的一种状况.现场实测的抖振响应已多次提醒:按现行方法进行抖振分析的结果存在较大的误差.除了加紧研究气动导纳函数,提出便于实用的合理的参数值外,也许还应当用审慎的眼光对待建立在准定常理论基础上的抖振力表达式,探索更为精确的包含非线性项非定常的抖振力表达式,使理论分析和实测结果达到一致,以满足超大跨度桥梁对风振分析提出的更高要求.5 超大跨度桥梁的抗风对策随着跨度的增大,桥梁对风的敏感程度将不断提高.实践表明,对于斜拉桥这种刚性较好的体系,即使跨度超过千米,只要采用斜索面和闭口箱梁断面,成桥以后都可获得足够的稳定性,如香港昂船洲大桥和苏通长江大桥的研究所证明的.主要的问题是悬臂施工阶段桥面的风振和长拉索的风雨激振,需要采用一些被动控制措施加以抑制.斜拉桥极限跨度的研究表明:1200m 以下是比较合适的区域.1200~1500m 斜拉桥虽然仍有竞争力,但主梁中巨大的轴向压力将导致静力压屈稳定问题,需要增加额外的刚度来保证.1500m 以上的斜拉桥在目前钢索的条件下,将出现较大的拉索垂度和相应的非线性刚度折减,需要采用空间索网的布置来克服.作者认为:斜拉桥做到1500m 跨度应该可以满意了,过长的悬臂施工将会使风险更大.而1500m 以内斜拉桥在抗风方面是完全有信心解决的.和斜拉桥相比,悬索桥的刚度要小得多.1600m 以上的悬索桥,如采用常规的箱形断面,如大海带桥那样,临界风速将降到70m #s -1以下,在强台风地区将不能满足要求.香港青龙大桥就必须采用中央开槽的分离桥面才能解决.21世纪的跨海大桥工程提出了建造2000m 以上悬索桥的要求.中央开槽的分体桥面方案对提高抗风稳定性是十分有效的措施,但过宽的中央槽将使横梁跨度增大,使桥梁造价增大,过宽的桥面还造成桥塔宽高比的失调,影响桥梁的美观.因此,采用其它措施,如中央稳定板,导流板的配合是值得考虑的.曾经有人研究过如同航空器中采用的主动控制技术,但由于土木结构体型庞大,能源的供应和日常维护是一个531 第5期项海帆:进入21世纪的桥梁风工程研究532同济大学学报第30卷难题.因此,无能源的自适应控制系统对超大跨度悬索桥应该是一个有前景的振动控制方法.此外,利用斜拉桥刚度好的有利条件,继续克服斜拉-悬索协作体系在结合部附近吊杆疲劳问题,充分发挥两种体系的优点.协作体系将减少斜拉桥长悬臂施工的风险,同时又可增大桥梁的抗风稳定性,尤其在有软土覆盖层的沿海地区,锚碇的减小将会带来经济效益,相信协作体系在1200~1500m的跨度范围应该是一种有竞争力的桥型.6结语我国的桥梁风工程研究经过20余年的努力,经历了20世纪80年代的/学习和追赶0和20世纪90年代的/提高和紧跟0两个阶段,已取得了长足的进步.通过对国内数十座大桥的抗风研究和风洞试验的实践,可以说我国的水平已进入了世界先进行列,也得到了国际风工程同行的认可.进入21世纪后,应开始/创新和超越0的第三战役,在第二阶段全面紧跟的十多个研究课题中选择4 ~5个重点进行突破,以进一步明确奋斗目标,通过创新,实现跨越式前进.同时,利用我国大规模桥梁建设的有利形势积极参与和合作,以重大桥梁工程为背景,理论联系实际,争取用10年时间在几个方面达到世界先进水平.参考文献:[1]项海帆.进入21世纪的中国大桥工程及抗风研究[A].进入21世纪的科学进步与社会经济发展[C].北京:中国科学技术出版社,1999.986.[2]项海帆.上海力学学会40周年年会报告:风工程和力学[R].上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室,1999.[3]XIANG Hai-fan,CH EN Ai-rong.Aerodynamic s tudies of long-span cable-s upported bridges in Chi na[A].Proc of International Confer-ence on Advances in Structural Dynamics[C].Ox ford:Elsevier Science Ltd,2000.121-134.[4]XIANG Hai-fan,Ge Yao-jun.Refinement on aerodynamic s tability analysis of s uper long-span briges[J].JWE,2001,(89):65-72.#下期文章摘要预报#低温等离子体放电管输入电能形式的发光分析葛自良,马宁生,章昌奕,赵国华为解析放电等离子体现象,以低温等离子体放电管作为优化研究对象,用数码相机对输入不同电能形式的放电管分别进行摄影,记录空气电离时的可见光发光状态,通过计算机处理,从发光强度空间分布及发光主截面积两方面进行分析,指出输入纳秒级脉冲高压电时能量效率较优,输入50H z单相交流高压电时较低,而采用主从放电输入电能形式的能量效率介于两者之间.同时也对放电管的结构性能进行了评估.。