桥梁抗风进行时——铁路桥梁抗风与行车安全研究进展

说到桥梁风毁事件，最著名的就是1940年发生的美国旧塔科马大桥（Old Tacoma Narrows Bridge）风毁事件，实际上，在旧塔科马大桥风毁之前，已有10余座悬索桥（吊桥）遭受风灾垮塌。旧塔科马大桥位于美国西海岸华盛顿州的西雅图南约50余公里，横跨塔科马海湾，是一座三跨（336+853+336）m连续加劲梁悬索桥，桥宽11.9m，加劲梁为2.44m高的H形板梁，塔高130m，由金门大桥设计者之一的莱昂·莫伊瑟夫（Leon·S·Moisseiff）承担大桥上部结构设计。大桥于1938年11月23日开始施工，1940年7月1日建成通车。但仅仅过了4个月，于1940年11月7日上午就发生了风毁事故，如图1所示，当时记录风速为19m/s。

图1 旧塔科马大桥风毁前后

实际上旧塔科马大桥建成通车后，多次发生过风致竖向弯曲振动（当地人称“跳跃的格蒂”）。这一现象引起了华盛顿大学的法库哈森（Farquharson）教授的关注。他成立了观测小组，在长达4个月的时间里，通过目测、经纬仪测量、16mm胶片的拍摄，记录了大桥的振动模态及风毁全过程的不幸事件，为后续的分析研究积累了极为宝贵的资料。旧塔科马大桥风毁后，美国政府正式委托冯·卡门（Von Kármán，流体力学大家）、安曼（Ammann，华盛顿大桥建设者）和伍德拉夫（Woodruff，旧金山奥克兰海湾大桥上部结构设计者）三位权威专家组成调查委员会进行调查并编制了290多页的正式报告。调查报告认为塔科马桥和一般类似结构一样，桥梁设计充分考虑了静力（包括风）作用，但没有考虑风的动力作用，这是导致事故发生的主要原因。风致振动问题由此引起人们的高度重视，经过桥梁工程师和流体力学专家的紧密合作，逐渐诞生了一门新兴学科——桥梁风工程。

由于受1940年美国旧塔科马大桥风毁事故的影响，上海市政工程设计院的桥梁工程师们希望通过主跨200m的上海郊区松江县泖河上的泖港大桥（2020年被拆除）的斜拉桥预研究，为将要建设主跨超400m的跨黄浦江大桥提供经验。在此之前，我国已建桥梁的最大跨度仅为150m。1979年初，同济大学项海帆教授接下了泖港大桥的风洞试验研究任务，从查资料开始，边学边做，于1979年底在中国气动中心低速所4m×3m 低速风洞中，成功进行了国内首次桥梁节段模型风洞试验——泖港大桥颤振试验，拉开了我国桥梁抗风研究的序幕。进入80年代，项海帆教授领导的桥梁抗风研究得到了快速发展，逐渐成为我国桥梁风工程研究的重要力量。

老泖港大桥

90年代，西南交通大学奚绍中教授培养了周述华、廖海黎等一批桥梁抗风方向的博士研究生，建立了风工程试验研究中心；中南大学（原长沙铁道学院）陈政清教授成立桥梁抗风研究课题组，开辟桥梁抗风研究方向，培养硕博士研究生；长安大学（原西安公路学院）刘建新教授组建课题组从事桥梁抗风研究。在试验设备上，同济大学于1994年建成了15m×2m×14m边界层风洞——TJ-3大型边界层风洞，承担的上海南浦大桥、杨浦大桥、虎门大桥、江阴长江大桥等抗风研究任务，为指导桥梁工程抗风设计起到重要作用。特别是南浦大桥的抗风研究成果，在推动我国超大跨度桥梁自主建设上具有里程碑意义。1996年，项海帆教授主编的《公路桥梁抗风设计指南》出版，成为我国第一部大跨度桥梁抗风设计指导书。

进入21世纪后，中国桥梁风工程跨入了一个崭新的发展时期，边界层风洞及特殊气流风洞建设此起彼伏，据统计，截至2023年11月，我国已建成的边界层风洞48座、在建6座，下击暴流模拟器6座，龙卷风模拟器5座。风洞迅速增加的同时，桥梁抗风研究队伍规模不断扩大。

2004年陈政清教授主编的研究生教材《桥梁风工程》，2005年项海帆教授的桥梁风工程著作《现代桥梁抗风理论与实践》，对我国桥梁风工程人才培养和桥梁工程师抗风水平的提高具有重要作用。随着理论研究和工程实践成果的积累，2004年颁发实施了《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T- D60-01—2004），2019年颁发实施了《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T- 3360-01—2018），2021年颁布实施了《桥梁结构风洞试验标准》（T/CCES 25-2021）。

随着我国高速铁路的迅猛发展，大跨度铁路桥梁越来越多，列车速度越来越高，对风越来越敏感，亟需开展铁路桥梁抗风研究。但相比公路桥梁，高速铁路桥梁具有车-桥气动干扰突出、车-桥动力相互作用显著、高速列车对桥面平顺性要求极高等特点，其抗风问题面临更大挑战。中国国家铁路集团有限公司（简称“国铁集团”，原中国铁路总公司）高度重视高速铁路桥梁抗风问题，分别于2014年、2015年布局了高铁联合基金重点项目“侧风作用下高速铁路列车-桥梁系统气动耦合作用机理与安全控制方法研究”（U1434205，西南交通大学负责）、“风雨作用下高速铁路车-轨-桥时变系统横向稳定性基础理论研究”（U1534206，中南大学负责），2015年规划了科技计划重点项目“高速铁路桥梁-列车系统抗风设计关键参数深化研究”（2015G002-C，中南大学负责），为建立高速铁路桥梁抗风技术体系提供理论基础。

杨浦大桥

南浦大桥

江阴长江大桥

虎门大桥

针对高速铁路桥梁抗风的特点，中南大学发挥桥梁风工程、铁路车-桥振动、列车空气动力学研究等方面的优势，在平台建设方面尽量突出特色。CSU-WT1风洞在研建时就充分考虑到了将来高速铁路桥梁抗风和行车安全研究的特殊需求。一是结合空间限制，创造性地将双试验段错层布置，高速试验段较低速试验段高2m，为后续在低速试验段开展横风-移动车-桥风洞试验预留了列车风洞外加减速装置布置空间；二是将风速设计与高速列车车速基本相当，高速试验段风速达94m/s，为世界民用风洞最高风速，为相关研究工作提供了关键装备保障。

2021年，中南大学联合多家单位编制完成《铁路桥梁抗风设计规范》（Q/CR 9262-2023），自2024年1月1日起施行。2023年，他们继续在开展“大跨度铁路桥梁抗风技术标准研究”相关工作。

铁路桥梁一直缺乏抗风设计专业规范，抗风设计基准风速或风荷载的取值主要参考《铁路桥涵设计规范》和《公路桥梁抗风设计规范》。《铁路桥涵设计规范》未考虑桥梁结构/构件不同高度或者特殊地形条件对风参数取值的影响；《公路桥梁抗风设计规范》缺乏列车行车安全相关的风参数取值标准。因此，制定合理的铁路桥梁抗风设计基准风速取值标准，对铁路桥梁抗风设计十分重要。为了同时保障铁路桥梁结构自身抗风安全和桥上列车的行车安全，提出了TW1 设计基准风速（有车风）和TW2 设计基准风速（无车风），并纳入最新颁布的《铁路桥梁抗风设计规范》（Q/CR 9162-2023）。

TW1设计基准风速的定义为：列车运营时，桥梁结构及构件基准高度处频率1/25 （重现期25年）的10min平均年最大风速，其取值综合考虑了《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）、《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）以及《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）对桥上大风行车限速的相关规定：①频率1/25（重现期25年）轨面高度处的桥梁设计风速；②客货共线铁路、重载铁路当按①确定的桥梁轨面上的风速计算值大于30m/s时，取30m/s；③高速铁路当按①确定的桥梁轨面上的风速计算值大于25m/s时，取25m/s；④公铁两用桥梁公路桥面风速计算值大于25m/s时，取25m/s。TW1设计基准风速考虑桥上列车运行，是检验桥上行车安全、风致限幅振动、施工阶段桥梁抗风安全的风参数取值标准，设计目标包括风荷载与车辆等作用组合时，桥梁结构的自身安全性、车辆行车安全性、平稳性或舒适性、风致限幅振动要求等。

TW2设计基准风速的定义为：桥梁结构及构件基准高度处频率1/100的10 min平均年最大风速；取值综合考虑了《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）和《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）对桥梁结构自身抗风安全的相关规定。两本规范中桥梁抗风的设计频率均为1/100（重现期100年），沿用此规定，将TW2设计基准风速的基本取值确定为频率1/100（重现期100年）轨面高度处的桥梁设计风速。TW2设计基准风速主要针对桥梁结构自身的抗风安全，此时风速较高，默认桥上不再行车，风荷载不再与车辆荷载组合，也不考虑列车对桥梁主梁断面气动外形的影响。因此，设计目标确定为满足规定的强度、刚度、静力稳定性、风致静力稳定性和风致动力稳定性等要求。同时，为了避免长时间涡振导致桥梁局部疲劳破坏和使用寿命降低，也规定在TW2设计基准风速范围内，不发生影响结构及构件安全的涡振。

列车、桥梁属于两种流线性截然不同的钝体。横风作用下，列车周围绕流主要表现为车头锥形涡、车顶流动分离和车底间隙流；桥梁周围绕流因梁型而异，对箱梁而言，主要表现为前缘流动分离与再附、尾流卡门涡街；对桁架梁而言，主要表现为上、下桥面流动分离与再附和腹杆流动分离。实际上，列车是运营在桥面分离流中，桥梁前缘分离气流将显著影响车头锥形涡、车顶流动分离和车底间隙流等；反之，列车绕流将明显改变桥梁流动分离与再附、尾流卡门涡街等。上述流动相互作用规律对车-桥系统气动特性影响十分显著。

平潭公铁两用大桥

车-桥系统气动干扰研究主要依赖于风洞试验，亟需解决高速铁路车-桥系统风洞试验相关技术难题。为此，中南大学研建最高风速 94m/s、双试验段错层布置的高速铁路边界层风洞；先后研发了车-桥组合模型气动力分离装置、基于势动能转换原理的列车模型 U型滑道系统和速度更高的弹射系统，在风洞内有效模拟了桥上列车的行驶状态；研发移动车-桥系统气动力无线同步测试方法，解决了车-桥系统气动特性难以物理再现和精准识别的难题。 

铁路桥梁的动力特性是抗风设计和安全防控的基础，亦是桥梁自身的“指纹”特征，因此，准确获取铁路桥梁动力至关重要。相较于公路桥梁，高铁桥梁质量和刚度更大，大跨度铁路桥梁上一般采用有砟道床，能量耗散能力更好。因此，高铁桥梁与公路桥梁在动力特性方面存在差异，在进行高铁桥梁抗风和安全防控设计时，不能直接参考公路桥梁的动力特性。 

近年来，随着高铁桥梁的快速发展，中国铁路科学研究院等有关单位已计算或测量了一批铁路桥梁的基频和阻尼比数据。实测了29座跨度从96m到445m的铁路大跨度拱桥的基频，拟合了竖弯基频估算公式；实测了20座跨度从115m到1092m的铁路大跨度斜拉桥的基频，拟合了竖弯、横弯和扭转基频估算公式；实测了7座跨度从660m到1092m的铁路大跨度悬索桥的基频，拟合了竖弯、横弯和扭转基频估算公式。实测了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等72座桥梁的阻尼，分别从桥型、梁型和材料角度，获得了以主梁、桥塔和缆索振动为主的模态阻尼比。

沪苏通长江大桥

桥梁涡激振动是一种在低风速下容易发生的限幅振动，涉及流体的非线性及结构-流体复杂的耦合效应，目前尚无法在设计阶段从理论上和技术上完全解决。一般认为涡激振动不会影响桥梁主体结构安全，抗风设计的关键是如何科学合理地确定涡振振幅限值，确保桥梁涡振状态下的行车安全性和舒适性。然而，现行抗风设计规范中只有公路桥梁抗风设计规范依据舒适性给出了涡振振幅限值，没有考虑行车安全性，且只适用于200m及以下跨度的桥梁。由于高速列车对桥上轨道线形更为敏感，我国现行铁路技术管理规程中的低风速下列车容许速度较高，涡激振动对高速铁路桥上列车走行性的影响更为突出，如何根据列车走行性确定涡振振幅限值，是高铁桥梁抗风设计的关键技术难题之一。本文建立了考虑桥梁涡振和抖振效应的风-车-桥耦合振动分析方法，推导了考虑列车速度影响的大跨度铁路桥梁行车安全涡振振幅限值，提出了铁路桥梁风致振动限幅标准和评价方法。

高速铁路车-桥系统是一个复杂的移动钝体流固耦合问题；由于列车行车速度快、对平顺性的要求严格，铁路桥梁抗风面临更加艰巨的技术挑战。在强风作用下，铁路桥梁首先需要保障结构自身的抗风安全，面临与公路桥梁类似的风致振动问题，主要包括颤振、涡振、抖振、弛振以及拉索振动控制问题等；同时，铁路桥梁抗风还必须兼顾桥上列车的行车安全。

安装风屏障是保障桥上列车安全的主要防风措施。针对传统“挡流型”(板型、开孔板型等)传统风屏障透风率等参数不能调节的不足，研发了“导流型”(百叶窗型、合页型、组合型等)、“耗能型”(风力发电型等)等多种新型风屏障结构形式。

铁路桥梁抗风与行车安全研究还有很多工作值得深入研究。结合我们在研项目，未来主要在以下几方面继续努力：针对高铁车-桥系统瞬时气动荷载、风致振动响应和复杂流固耦合精准测量与模拟的难题，开展实时气动混合模拟技术研究及相关科学试验仪器研制；针对高海拔深切峡谷风、雨、雪等多因素耦合作用的难题，开展复杂山区风场精细化模拟和风-雪-温度气象多因素实测、致灾机理与防治技术研究；针对桥隧相连段切变风频繁、风特性复杂的问题，开展桥隧相连段切变风特性研究。