橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)

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摘要：本文通過日本橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的制定過程和編集背景，分析了構(gòu)成橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)體系的各抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，指出日本的抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)具有可操作性強(qiáng)、體系完善等特點(diǎn)，以期對我國橋梁抗風(fēng)規(guī)范的制定和發(fā)展提供一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：橋梁抗風(fēng)基準(zhǔn)

一、前言

隨著交通事業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，自80年代末以來的短短的十多年間，我國建成了20余座以斜拉橋、懸索橋?yàn)橹饕獦蛐偷闹骺?00m以上的大跨度橋梁。斜拉橋、懸索橋?qū)︼L(fēng)作用反應(yīng)敏感，風(fēng)的作用尤其是動(dòng)力作用往往成為這兩種橋梁設(shè)計(jì)和施工的控制因素。我國目前的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-89）雖有靜風(fēng)荷載方面的條款，但不適用于大跨度的橋梁，橋梁的動(dòng)力抗風(fēng)設(shè)計(jì)和施工過程中的抗風(fēng)驗(yàn)算更是空白，因此，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院和同濟(jì)大學(xué)項(xiàng)海帆院士為首的有關(guān)研究人員，在國內(nèi)從事橋梁抗風(fēng)研究的單位和專家的積極支持下，總結(jié)我國十幾年來橋梁抗風(fēng)理論研究和風(fēng)洞試驗(yàn)的成果，并參考、吸收了其他國家橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的一些成果，歷時(shí)3年，于1996年4月編制完成我國第一部用于大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性文件《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》（以下簡稱《指南》）。

《指南》公布4年多來，在指導(dǎo)大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，發(fā)揮了巨大的作用，但由于風(fēng)的作用和橋梁對風(fēng)反應(yīng)的極其復(fù)雜性，《指南》的深度和廣度尚不能完全解決橋梁所涉及的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算的問題，再加上應(yīng)將近年來由于橋梁抗風(fēng)研究的進(jìn)一步深入和實(shí)際工程積累的日漸豐富的經(jīng)驗(yàn)中所獲得的新見解納入，以便更方便、有效、規(guī)范地進(jìn)行橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)。交通部于1997年立項(xiàng)編制中華人民共和國交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）。《規(guī)范》的編寫工作雖已近結(jié)束，但《規(guī)范》的頒布實(shí)施尚待一些時(shí)間，《規(guī)范》雖比《指南》大大前進(jìn)了一步，但我國大跨度橋梁的建設(shè)高潮方興未艾，在更惡劣的風(fēng)環(huán)境條件下建設(shè)更大跨度的橋梁已在前期準(zhǔn)備工作之中，而且《規(guī)范》也還不能完全解決橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的所有問題，涵蓋不了所有不同跨度、不同構(gòu)造形式，不同地區(qū)、不同地形條件下的橋梁抗風(fēng)問題。我國的近鄰日本經(jīng)常遭受強(qiáng)臺風(fēng)的襲擊，20世紀(jì)60年代以來，又修建了以本州四國連絡(luò)橋?yàn)榇淼脑S多跨海大跨度橋梁，橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)日臻完善。本文就日本的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（為便于查閱，在不影響意義的情況下，使用日文漢字名稱）為例，說明橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的變遷和體系，以期對我國橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制和發(fā)展提供一些借鑒和參考。

二、日本橋梁耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的變遷和制定背景

40年來，日本的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)經(jīng)歷了種種變遷并逐漸形成了完善的體系。

1959年，日本建設(shè)省和國有鐵道開始有組織地進(jìn)行有關(guān)本州四國連絡(luò)橋（以下稱本四連絡(luò)橋）的研究工作。1961年研究工作委托日本土木學(xué)會進(jìn)行，在土木學(xué)會中設(shè)立了本四連絡(luò)橋技術(shù)調(diào)查委員會，該委員會下設(shè)種種小委員會，以東京大學(xué)平并敦教授為首的耐風(fēng)設(shè)計(jì)小委員會于1963年開始工作，當(dāng)時(shí)雖已將反省美國舊Tacoma風(fēng)毀跨橋中獲得的見解應(yīng)用到新Tacoma橋、日本的若戶橋、英國的塞文橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，但這些僅是個(gè)別橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，尚未形成體系。日本的本四連絡(luò)橋群中有大量抗風(fēng)性能非常重要的大跨度橋梁，必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此制定了"本州四國連絡(luò)橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)指針·同解說（1964）"（以下稱"指針64"），后經(jīng)苦于修改后成為"本州四國連絡(luò)橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)指針·同解說（1967）"，（以下稱"指針67"）。

1970年成立了本州四國連絡(luò)橋公團(tuán)（以下稱本四公團(tuán)）負(fù)責(zé)調(diào)查研究的主要工作，但委托給土木學(xué)會的工作仍由土木學(xué)會繼續(xù)完成，成立了建設(shè)省土木研究所大久保博士為首的耐風(fēng)研究小委員會，其主要任務(wù)是①制定容納、吸收"指針67"以后的新研究成果的抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。②制定風(fēng)洞試驗(yàn)基準(zhǔn)。③進(jìn)行為評價(jià)風(fēng)洞試驗(yàn)精度的抗風(fēng)實(shí)驗(yàn)橋的觀測。該小委員會工作成果是制定了"本州四國連絡(luò)橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（1972）"，（以下稱"基準(zhǔn)72"），"本州四國連絡(luò)橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（1975）"，（以下稱"基準(zhǔn)75"），后經(jīng)修改變?yōu)?本州四國連絡(luò)橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（1976）"（以下稱"基準(zhǔn)76"）和"本州四國連絡(luò)橋風(fēng)洞試驗(yàn)基準(zhǔn)（1976）"（以下稱"試驗(yàn)基準(zhǔn)76"），本四橋中的因島大橋、大嗚門橋、懶戶大橋、大島大橋都是按上述基準(zhǔn)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)的，本四橋以外的許多大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)也參照了上述基準(zhǔn)。大久保博士領(lǐng)導(dǎo)的耐風(fēng)研究小委員會的工作于1975年結(jié)束。

"基準(zhǔn)76"雖說是在當(dāng)時(shí)抗風(fēng)研究的最新成果和見解的基礎(chǔ)上編集制定的，但在實(shí)施的過程中又發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象和問題。由于沒有充足的時(shí)間進(jìn)行研究，只好在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中取稍微富裕的安全儲備。

1976年，為了處理在實(shí)施"基準(zhǔn)76"和"試驗(yàn)基準(zhǔn)76"出現(xiàn)的問題和進(jìn)行抗風(fēng)實(shí)驗(yàn)橋觀測數(shù)據(jù)的處理分析工作，又在土木學(xué)會中設(shè)立了以中央大學(xué)同內(nèi)功教授為首的耐風(fēng)研究小委員會。70年代后期至80年代前期，正是明石海峽大橋的中跨改為近2000m的討論研究時(shí)期，確保明石海峽大橋的抗風(fēng)性能是非常重要的課題，岡內(nèi)功教授為首的耐風(fēng)研究小委員會在1982～1987年間，根據(jù)明石海峽大橋各種設(shè)計(jì)方案抗風(fēng)研究成果以及對橋梁抗風(fēng)的一些新見解，編集制定了"明石海峽大橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)要領(lǐng)（案）·同解說（1988）"，（以下稱"明石要領(lǐng)(案)88"）

1989年有關(guān)本四橋的調(diào)查工作由土木學(xué)會轉(zhuǎn)至海洋架橋調(diào)查會，同時(shí)成立了以橫濱國立大學(xué)宮田利雄教授為首的耐風(fēng)委員會，該委員會對"明石要領(lǐng)（案）88"進(jìn)行了部分修改，制定了"明石海峽大橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)要領(lǐng)·同解說（1990）"（以下稱明石要領(lǐng)90"），同時(shí)并對以前的"試驗(yàn)要領(lǐng)76"進(jìn)行補(bǔ)充、修正而制定了"明石海峽大橋風(fēng)洞試驗(yàn)要領(lǐng)（1990）"（以下稱"明石試驗(yàn)要領(lǐng)90"）。

該委員會在確定"明石要領(lǐng)90"、"明石試驗(yàn)要領(lǐng)90"的同時(shí)，制定了適用于尾道·今治線路的新尾道大橋、多多羅大橋、來島大橋的"尾道·今治ル-ト耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)·同解說（1994）"（以下稱"尾道·今治基準(zhǔn)94"）。該委員會還總結(jié)了"明石要領(lǐng)叨"之后進(jìn)行大型風(fēng)洞全橋模型試驗(yàn)以及從明石海峽大橋、多多羅大橋、來島大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)獲得的研究成果。制定了"耐風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)（案）（1998）"（以下稱"基準(zhǔn)"（案）98"）。以下為本四橋建設(shè)與抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)制定的對照情況。

1959年建設(shè)省、日本國有鐵道開始本四橋建設(shè)調(diào)查研究平井敦

1963年土木學(xué)會耐風(fēng)設(shè)計(jì)小委員會成立"指針64""指針67"

1970年本四公團(tuán)成立

1971年土木學(xué)會耐風(fēng)研究小委員會成立大久保

1972～1974年抗風(fēng)實(shí)驗(yàn)橋觀測"基準(zhǔn)72"

1975年土木學(xué)會耐風(fēng)研究小委員會成立"基準(zhǔn)75""基準(zhǔn)76"岡內(nèi)功

1976年大鳴門橋開工"試驗(yàn)基準(zhǔn)76"

1977年因島大橋開工

1978年兒島·坂出線路開工

1980年實(shí)橋振動(dòng)觀測"試驗(yàn)要領(lǐng)80"

1984年實(shí)橋振動(dòng)試驗(yàn)（大嗚門橋、南備贊瀨戶大橋、柜石島大橋、大島大橋等）

1988年明石海峽大橋開工，來島大橋開工"明石要領(lǐng)（案）88"

1989年海洋架橋調(diào)查會，耐風(fēng)委員會成立，明石海峽大橋大型風(fēng)洞試驗(yàn)"明石要領(lǐng)90"宮田利雄

1990～1997年多多羅大橋大型風(fēng)洞試驗(yàn)"明石試驗(yàn)要領(lǐng)90"

來島大橋大型風(fēng)洞試驗(yàn)"尾道·今治基準(zhǔn)94"

1998年明石海峽大橋建成"基準(zhǔn)（案）98"

1999年尾道·今治線路完成

三、各抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的特點(diǎn)

抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的編制是和大跨度橋梁的建設(shè)相互制約與促進(jìn)的，構(gòu)成橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)體系的各抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的特點(diǎn)如下：

1．"指針64"（1）設(shè)定了考慮高度分布等因素的基本風(fēng)特性

(2)提出了考慮重現(xiàn)期的基本風(fēng)速設(shè)定方法

（3）確定自激振動(dòng)的校核風(fēng)速為1.2倍的設(shè)計(jì)風(fēng)速

2."指針67"（1）確定嗚門海峽的基本風(fēng)速為50m/s，其他地區(qū)為45m/s

(2)考慮重限期為100年，150-年

（3）施工中的風(fēng)速重限期為30年

（4）根據(jù)紊流尺度和結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系修正設(shè)計(jì)風(fēng)速

（5）根據(jù)風(fēng)速設(shè)定設(shè)計(jì)中考慮的迎角為±5°，±10°

3．"基準(zhǔn)72"（1）明確了抗風(fēng)設(shè)計(jì)的流程

（2）基本風(fēng)速分為四個(gè)區(qū)域，重現(xiàn)期為150年

（3）設(shè)計(jì)風(fēng)荷載考慮陣風(fēng)反應(yīng)的修正

（4）設(shè)定了風(fēng)洞試驗(yàn)基準(zhǔn)和容許誤差

（5）迎角為±7°

4．"基準(zhǔn)75"（1）基本風(fēng)速分為五個(gè)區(qū)域

（2）修改風(fēng)速高度分布

（3）修正考慮風(fēng)荷載時(shí)的容許應(yīng)力增加系數(shù)

（4）確定了施工中核核用的風(fēng)荷載

（5）在風(fēng)洞試驗(yàn)基準(zhǔn)中增加主塔的模型試驗(yàn)

5．"基準(zhǔn)76"（1）為了和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相一致，對風(fēng)荷載的計(jì)算方法進(jìn)行部分修改

（2）在"風(fēng)洞試驗(yàn)要領(lǐng)80"中，增加模型制作，試驗(yàn)結(jié)果整理的內(nèi)容

6．"明石要領(lǐng)90"（1）針對明石海峽大橋的專用基準(zhǔn)

（2）基本風(fēng)速改為46m/s

(3）將陣風(fēng)反應(yīng)的影響由風(fēng)速的修正改為風(fēng)荷載的修正在附錄中增加陣風(fēng)反應(yīng)分析方法

（4）結(jié)構(gòu)阻尼分為彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種

（5）規(guī)定進(jìn)行陣風(fēng)反應(yīng)解析校核

(6）校核迎角為±3°

(7）在自激振動(dòng)的檢驗(yàn)風(fēng)速中考慮風(fēng)速時(shí)間變化

(8）在風(fēng)洞試驗(yàn)要領(lǐng)中增加成橋后主塔風(fēng)洞試驗(yàn)等

7．"尾道·今治基準(zhǔn)94"（1）針對尾道、今治線路專用的抗風(fēng)基準(zhǔn)

（2）設(shè)定尾道航路的基本風(fēng)速、風(fēng)速的高度分布和紊流強(qiáng)度

(3）由陣風(fēng)反應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行的風(fēng)荷載的修正

（4）增加拉索風(fēng)雨振動(dòng)的檢驗(yàn)

8．"基準(zhǔn)（案）98"總結(jié)大型風(fēng)洞全橋模型實(shí)驗(yàn)研究成果

四、結(jié)束語

日本除了上述適用于大跨度橋梁的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)以外，還于1991年由日本道路協(xié)會編集了適用于跨度小于200m以下橋梁的"道路橋耐風(fēng)設(shè)計(jì)便覽"，40年來，隨著日本橋梁的建設(shè)，已形成了一套完整的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)體系。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)制定編集過程中，土木學(xué)會發(fā)揮了巨大的作用，各個(gè)基準(zhǔn)制定時(shí)間和背景不同，但并非新的基準(zhǔn)就一定比舊的基準(zhǔn)完善和先進(jìn)，各個(gè)基準(zhǔn)是考慮不同的橋梁跨度，不同的地域，不同的架橋位置的地形特點(diǎn)，不同要求的風(fēng)洞試驗(yàn)等因素而制定，因而可操作性非常強(qiáng)，風(fēng)洞試驗(yàn)是橋梁設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、研究不可缺少的手段，為了正確地評價(jià)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，日本制定了用以指導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn)的基準(zhǔn)，?quot;試驗(yàn)基準(zhǔn)76"，"試驗(yàn)要領(lǐng)80"，"明石試驗(yàn)要領(lǐng)90"。此外各個(gè)基準(zhǔn)均明確規(guī)定抗風(fēng)設(shè)計(jì)的最基本的風(fēng)的特性，并對陣風(fēng)反應(yīng)的影響有較詳細(xì)的規(guī)定。以上幾點(diǎn)在編制我國的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)應(yīng)予以借鑒和參考。