上世纪40年代，塔科马大桥风毁事件使得桥梁抗风稳定性研究逐渐发展起来。而在历史上，人行桥因风致振动而发生破坏的例子也是屡见不鲜。苏格兰的德莱堡修道院大桥于年建成，在建成后的第二年就因风致振动使得其部分桥索发生破坏，随后被一场大风彻底摧毁。位于美国西弗吉尼亚州的惠灵大桥于年5月被一场大风掀翻桥面，英格兰的布莱顿栈桥于年发生风致破坏。早些年，人行悬索桥的跨径一般在米以下，其抗风稳定性问题并没有得到足够的重视。如今，随着技术的不断发展以及各种地形的要求，人行悬索桥的跨径已经突破米，使我们必须要面临一系列新的风致振动问题，尤其是大跨径人行悬索桥的颤振稳定性问题。人行悬索桥跨径不断增大，而主梁的宽度和高度均较小，结构更加轻柔，这使其频率相对较小，相较于公路桥更容易产生大的振动和变形。而且人行悬索桥还有桥面构造简单、设计寿命相对较短等特点，这与公路桥明显不同。因此直接使用公路桥梁规范对其进行抗风设计具有不合理性，在抗风设计中需要采取相应的措施，来应对大跨径悬索桥所面临的风致振动问题。
目前国内尚无较完善的专为人行桥编制的规范，现行《城市人行天桥与人行地道技术规范》由于发行时间较早，很多条例已不再适用于现在复杂多变的人群以及其他外界环境的作用，而且也仅仅适用于城市人行天桥，对其他类型的人行桥，诸如景区人行桥、跨河人行桥也未做专门说明。近年来，经济的高速发展及建筑结构的泛娱乐化倾向，使得玻璃人行桥等特殊桥梁得以迅速发展，但是暂未形成完整与成熟的设计方法，这也成为新兴桥型进一步推广发展的阻碍。
山区风场特征
在桥梁的抗风设计中，需保证结构自身所能承受的临界风速高于桥址位置的检验风速。对于平坦地区，国内普遍采用指数律风剖面（公式1）计算设计基准风速。
U(z)=U10(Z/10)α 公式1
其中U10表示基本风速，α为地表粗糙度系数，z为结构或构件的基准高度。现行抗风规范将地区按其表面粗糙度划分为四类场地，相应的风剖面随高度变化规律如图1所示。需通过结构位置与桥下地面或水面的相对高度来确定实际基准高度，并根据桥址处的地表场地类型，选择地表粗糙度系数。
图1四类场地风剖面
大跨径人行悬索桥主要位于景区内部，多数要跨越山谷，因而桥面位置距谷底距离很大，且沿桥跨方向存在明显变化。地表剧烈的起伏变化使得山谷地区风场与平坦地区的良态风有很大区别，如若继续采用规范方法设计基准风速的计算会存在以下两个主要问题：首先，选取何处地表作为参考位置来计算基准高度存在不确定性。如选取谷底最低位置，则会因过于保守而使得颤振检验风速过大，从而大幅提高桥梁造价以及抗风设计难度。此外，山谷地区地表粗糙度变化更为明显，确定更为合理的地表粗糙度系数也是需进一步研究的问题。
对于特殊地形下的风场特性研究，一般采取三种措施，即现场实测、风洞地形模型试验、计算流体力学模拟（CFD）。以两个典型山谷地形桥址为例，通过实测数据与规范风剖面进行对比，对山谷地区的风场特性进行研究。
Y形汇流谷
大董路特大桥地处Y形汇流谷，如图2。
图2大董路特大桥效果图
在桥址处安装观测设备，采集风场数据，得到实测数据与规范风剖面进行对比。通过对比可以发现，在近地表范围内，实测平均风速并没有因地表粗糙度的影响而产生明显的减小，在低空区用规范所提出的方法计算将低估平均风速，而在高空区则高估了平均风速。高空区的风速高估会对桥梁抗风设计增加不必要的困难，并会因此提高桥梁造价。而低空区的风速低估则会使得桥梁设计存在潜在危险性。
喇叭口收缩谷
禹门口大桥桥址处地形为喇叭口收缩谷，其效果图如图3，在桥址附近建立观测站来监测当地风场特性。
图3禹门口大桥效果图
将实测数据与规范中D类场地规范计算值进行对比。结果表明，在距地面高度米以上的实测平均风速要低于规范计算值，而在米以下实测平均风速则明显高于计算值。该地区同样存在低空区平均风速被低估，高空区平均风速被高估的情况，且实测值与规范计算值对比更加明显。
优化主梁断面提高稳定性
人行悬索桥风致振动主要形式
对于大跨人行悬索桥，抗风稳定性问题主要是颤振、涡振以及静风失稳。其中最值得注意的是人行悬索桥的颤振问题。历史上，绝大多数的人行桥风毁事件均是由于颤振导致。由于人行悬索桥的气动稳定性差，所以往往颤振临界风速较低，在不进行优化的情况下一般很难满足抗风稳定性要求。
龙潭大峡谷玻璃吊桥是一座人行大跨悬索玻璃桥，近年来这种富有观赏性的桥型愈发增多。而在对其进行风洞抗振试验研究时，发现该桥在较低风速下便会发生明显颤振。即使实际桥梁不会在该风速下因颤振而毁坏，也势必会降低其抗风稳定性。如不尽早加以合理的防范，结构很可能因一次次的振动而最终发生破坏。此外贵州某人行悬索桥也因自身稳定性问题在低风速下发生大幅振动。该桥在风力作用下发生明显侧弯、竖弯及扭转振动，振幅巨大，且随着风速的增加呈现发散趋势。上述实例也进一步说明，大跨径人行悬索桥的颤振问题需要高度重视。
涡振问题因近年来的多发性而逐渐受到 公式2
公式2为公路桥梁的颤振临界风速计算公式，式中Ud表示桥梁或构件的设计基准风速；γf表示颤振稳定性分项系数，根据获取颤振临界风速的方法确定；γt表示风速脉动空间影响分项系数，由桥址处地表场地类型以及桥梁跨径确定；γa表示攻角效应分项系数，体现大攻角的影响。现行的桥梁抗风规范并没有对人行桥的颤振临界风速计算方式进行专门的制定，因此也使用该公式进行相应的计算。鉴于人行桥的使用寿命远低于公路桥梁，因此其所需的颤振风速可能会明显低于该计算值。
虽然在前文中提到我们需要高度重视人行悬索桥的颤振问题，但总体来看，人行悬索桥的颤振威胁要小于公路桥。一方面，人行桥通行要求低于公路桥梁，且许多属非必要通道，所以在高风速时段可以迅速地组织封桥，能有效避免桥梁颤振所带来的人员伤亡。另一方面，人行桥结构更加轻柔，相比于公路桥能承受更大的变形，因而也更不容易被风致振动所破坏，所以人行悬索桥的颤振威胁小于公路桥梁。
本文刊载/《桥梁》杂志年第4期总第96期
作者/李加武邢松
作者单位/长安大学公路学院
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