数值模拟：桥梁颤振和抖振

来源：同济风工程（ID：TJWindEngineering），作者：赵林。

颤振是由于结构在扰流气流所形成的振动系统中，风速达到某一临界值时，系统的阻尼在相互反馈过程中由正转负而形成发散性的扭转或弯扭耦合振动。在线性系统中，“颤振临界点”就是结构在一定风速下达到了“零阻尼”的状态而产生了平稳的等幅振动，一旦风速增加或阻尼减小，该系统就会转变为发散的振动从而导致结构的破坏。

在一些桥梁颤振特性研究的风洞试验中并没有明显的“颤振临界点”，而是发生“软”颤振现象，即随着风速增加桥梁振幅也增加，不同于“硬”颤振突然发散而是保持稳态的振动。

视频所展示的飞燕式拱桥是中承式拱桥的一种，中承式拱桥因其合理的受力形式而得到了广泛的应用，是能够做到较大跨度的一种桥型。理论分析表明，中承式拱桥的极限跨度可以达到1000m左右。随着跨度的增大，拱桥横向稳定性问题也显得越来越突出。在大型拱桥当中，横向稳定性几乎绝对控制着桥梁运营及施工的安全。随着跨度增大，拱桥呈现出结构轻柔、低频和低阻尼的力学特征，也导致桥梁对风的作用更加敏感，对风的反应更加复杂，在风振作用下很容易发生静风失稳、抖振和涡激振动等风致响应。与大跨度的悬索桥、斜拉桥等桥型不同，大跨度中承式拱桥属于三维受力结构体系，在风致振动时需要考虑主梁与主拱的协同作用。但相比于大跨度的悬索桥和斜拉桥等桥型，大跨度中承式拱桥的风振响应计算理论研究至今尚不成熟，拱桥结构的风荷载计算以及相应的模型风洞试验理论基本上还是沿用已有的悬索桥和斜拉桥的研究经验和理论。

视频展示了某悬索桥风致振动的结构有限元数值模拟结果，但目前数值模拟技术还不是很成熟，虽然桥梁断面的气动选型已经开始用数值模拟代替风洞实验了，但由于钝体空气动力学在数学建模上还存在理论上的困难，21世纪最初20年，还是以风洞试验为主，以数值模拟为辅。