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海洋桥梁工程抗风的重点难点问题
发布时间:2022年06月12日


大跨桥梁抗风研究已经取得了长足的进步,现行抗风计算理论和规范、控制措施能满足良态风场或内陆近海桥梁的抗风需求,但就未来大跨度海洋桥梁设计、施工、运营等而言,其重点难点问题主要体现在以下四个方面。

(一)海洋桥梁场址风场特性

海洋桥梁面临的风场环境更加复杂,主要表现在两个方面:一方面,相较于近海和内陆桥梁,海洋桥梁遭遇台风将更加频繁,但台风极值风速、平均风速剖面、近地湍流特性等关键风参数明显不同于一般良态气候的强风,且目前缺乏对描述台风风场合理的数学模型;另一方面,海上桥梁常遇风的风速更高、风向多变、非平稳特性显著、局部气候特性明显,而目前观测平台数量有限、数据精度差,相关研究还很少,距离实际工程应用仍存在较大差距。

海洋桥梁场址风场研究涉及气象学、流体力学、统计学等多种学科,面临的问题复杂,台风风场分布结构、场址局部气候特性等关键信息都不明晰,缺乏面向工程建造、运营的综合气象观测预报平台。因此,针对海洋桥梁场址风场特性,还需进行大量的研究工作。

(二)特大跨度海洋桥梁抗风设计理论与适用规范

由于海洋桥梁桥址风场的产生机理、时空特性均与常见季风等良态风场存在着很大差异,对桥梁结构的作用机理也不清晰,因此,基于均匀流场和常规紊流场中试验建立的气动力模型和抗风设计方法将无法说明台风作用下特大跨度海洋桥梁的气动行为,亟待针对台风环境下主梁气动参数的影响因素进行详细研究,进而确定合理的气动参数模型,提高其精度和适用范围。

建立海洋大跨桥梁抗风性能的科学评价标准是一个非常复杂的问题,尚需进行大量的研究工作。现行规范中的抗风安全评估主要是针对良态风场中的大跨度桥梁,标准单一,无法直接用于评价海洋大跨桥梁防风性能。而大跨度海洋桥梁在交通网络中所处的地位重要、所处风场环境复杂,因此,为确保大跨度海洋桥梁的安全性和舒适性,需综合考量各种因素,确定科学、合理的评价标准。

(三)面向结构安全和行车舒适性的桥梁风振控制技术

随着未来桥梁建设逐步向海上推进,对桥梁的跨越能力要求更高。从结构抗风的角度来讲,既有的桥梁结构形式和施工方法将面临新的挑战,传统的风致控制方法也存在诸多局限。采用空间缆索体系、新型组合结构等结构措施虽能在一定程度上提高桥梁的结构刚度、改善抗风能力,但结构受力复杂、传力机制不明,施工过程中存在多次体系转换,工艺复杂,施工过程中的关键抗风问题有待明确。因此,从结构抗风的角度来讲,既有的桥梁结构形式和施工方法将面临新的挑战,传统的风致控制方法也存在诸多局限,亟需发展新的、更加高效的风振控制措施。

未来海上桥梁面临的常遇风速高、风速范围广,大跨桥梁发生多种风振的概率大,各种被动气动措施之间兼容性差,需要提出可同时控制多种风致振动问题的优化气动措施。

主动气动控制技术在主梁的风振控制方面更加合理高效,是未来超大跨桥梁风振控制的发展方向,但面临着作用机理不完全明确、可靠性差、能源供给依赖度高等问题。

(四)面向行车安全和通行能力的防风技术

未来,海上桥梁工程的服役环境更加恶劣。海面风力强、大风天气频发,导致的行车安全事故屡有发生,造成了比较严重的经济损失和社会影响。在强风等气候条件下,提出既不显著影响桥梁结构抗风性能也能够保障行车安全的防风安全措施是研究的难点之一。

建立完善的风气象预警系统,并结合结构形式、车型、路面条件形成一套完善、有效的智能交通运行管理系统,最终增强海上桥梁的通行能力是未来海上桥梁面临的又一难点。


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