IBTC報告回顧 | 西南交通大學橋梁工程系主任李永樂
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2024精彩報告回顧
2024年6月16日-17日，中國工程院工程科技學術研討會——第十二屆國際橋梁與隧道技術大會（IBTC2024）在上海成功召開，大會匯聚國內外專家學者，圍繞極端環境下的交通基礎設施智能建養與安全展開深入探討，涌現出一批具有前瞻性和實踐價值的研究成果。作為中國乃至國際范圍內反映重大工程建設與技術創新的重要交流平臺，為更好傳播科技前沿成果、推動行業創新進步，大會秘書處特別推出《IBTC系列報告回顧》，分享專家精彩觀點。
本期聚焦西南交通大學橋梁工程系主任、橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室主任李永樂的大會報告《大跨度懸索橋渦激振動控制指標體系及限值研究》。該研究針對當前大跨度橋梁，尤其是懸索橋，日益突出的渦激振動問題，構建了一套融合人員舒適性、結構受力安全與行車線形要求的綜合評價指標體系，為工程設計、運營管理提供了更為科學、精細的決策依據。
背景：大跨度橋梁的“風中之舞”與標準困境
隨著我國橋梁建設邁向大跨、輕盈化，鋼橋應用日益廣泛，渦激振動這一現象從以往“不被重視”演變為工程實踐中必須直面應對的挑戰。李永樂回顧道，從其攻讀碩士時期專注抗風研究至今，橋梁跨度不斷增長，使得渦激振動在多個實橋上發生。盡管其振動幅度通常不會導致結構毀滅性破壞，但其帶來的影響不容小覷：不僅關乎橋上行人、行車舒適度，長期振動可能引發結構疲勞，在城市橋梁中更易引發公眾心理恐慌，甚至可能像虎門大橋事件那樣，導致結構阻尼特性發生變化，影響橋梁安全。
渦激振動本質上是非線性、自限幅的復雜現象，學術界提出了多種模型進行描述。實際橋梁包含眾多階模態，高低階模態均可能發生渦振，增加了問題的復雜性。當前，國內外圍繞渦激振動機理與響應開展了大量研究，但工程應用的核心難點之一在于：渦激振動的最大允許振幅究竟應為多少？
李永樂指出，現行規范存在局限性。我國2014年規范給出了一個計算公式，但明確僅適用于200米以下橋梁；2018年規范雖有所提及，但對200米以上橋梁的處理仍未明確。現有標準溯源至日本基于允許加速度1 m/s²的基準，但經我國規范公式轉換后，在低頻段（如0.1 Hz）允許振幅可達0.4米，對應加速度僅0.16 m/s²，與日本初衷相差甚遠。這種標準在不同頻率階次下要求的嚴苛程度差異巨大——低頻時過嚴，高頻時過松，難以實際指導工程。因此，亟需一套能綜合考慮實際影響，特別是駕乘人員舒適度的新評價體系。
突破一：聚焦人員舒適性，引入多維人體響應指標
李永樂團隊首先深入研究了基于人員舒適性的渦振限值。傳統上，限值制定主要依據橋面加速度。然而，團隊通過精細的“風-車-橋”耦合振動分析發現，車輛駕乘人員實際感受到的是橋面振動與車輛自身振動的疊加效應。
模擬分析顯示，車輛駛入發生渦振的橋梁后，車體內加速度響應顯著增大，頻譜特性也因橋梁振動而改變。團隊據此引入了國際標準ISO 2631中評價人體舒適度的復雜指標：考慮靠背、座椅、腳部三個位置共12個加速度分量，經過頻譜變換和頻率加權，計算總體乘坐值（OVTV）。
然而，分析結果出人意料：橋梁發生渦振前后，OVTV指標變化甚微。深入研究揭示，OVTV的權重函數在0.5 Hz以下急劇下降，而研究案例中懸索橋的渦振頻率恰在0.24 Hz左右，導致該指標對低頻振動不敏感。
團隊轉而研究暈動癥指標（MSI），該指標對0.5 Hz以下的低頻振動更為敏感。計算結果表明，MSI能有效區分渦振發生前后的駕乘舒適度：無渦振時MSI為0.02，發生渦振后升至3.49，變化顯著。通過調取國內某橋渦振（振幅近0.5米時駕駛者已感“天旋地轉”）的實測數據反算，團隊初步建議將MSI約4.3%作為警示值，放大50%后約6.45%作為“封橋”臨界值。
對于行人舒適性，團隊采用狄克曼指標進行評估。計算發現，發生渦振時，橋上行走的狄克曼指標可達32.2%。參考相關標準并結合實際情況，團隊建議將此值放大50%作為“封橋”標準。
應用這些舒適性指標對各階模態進行控制后發現，OVTV對較高頻率的橋梁起控制作用，MSI和狄克曼指標則對中低頻更為敏感，但對頻率過低階模態的振幅限制仍顯寬松。
突破二：納入結構受力安全，彌補低階模態控制不足
鑒于單純依靠舒適性指標難以有效控制低階模態振動，團隊引入了基于結構受力的渦振限值研究。他們從承載力極限狀態、正常使用極限狀態下的應力以及整體受力性能三個層面進行分析。
通過計算橋梁在渦振下的彎矩響應，并取用適當安全系數，團隊分別確定了“限速”和“封橋”的彎矩閾值，進而反算得到各階模態的允許振幅。分析表明，基于構件強度的承載力極限狀態和正常使用極限狀態控制主要針對高階模態，對低階模態仍無法有效約束。
針對低階模態整體受力控制難題，團隊創新性地借鑒了懸索橋規范中對荷載試驗撓度的限值要求。通過提取相關限值，考慮恒載影響并賦予安全系數，最終確定了適用于低階模態的整體承載力控制標準：封橋標準約為振幅0.8米，限速標準約為1.13米。這一標準成功彌補了低階模態控制的空白。
突破三：考量行車線形，確保運營安全
團隊還研究了基于行車線形的渦振限值，主要考察縱坡變化、曲率半徑以及停車視距三個因素。分析結果表明，對于所研究的橋梁，按照規范規定的縱坡限值（如5%）、曲率半徑要求以及停車視距要求反算得到的允許振幅通常較大，總體上對渦振振幅不起主要控制作用，僅在特定高階模態下，停車視距可能成為控制因素之一。
整合與應用：構建分階模態的多維控制標準
研究最關鍵的成果在于將基于舒適性、結構受力和行車線形的共九項指標進行整合，針對每一階模態進行“一模態一策”的精細化控制。
結果顯示，對于案例橋梁：
這套指標體系明確了在不同振動模態下，起控制作用的關鍵因素及其對應的振幅限值。在實際應用中，一旦橋梁發生渦振，可通過模態識別技術確定振型階次，然后對照相應標準判斷是否需采取限速或封橋措施。李永樂強調，該體系雖源于懸索橋研究，但其評價思路與限值標準可推廣至其他橋型，不同橋梁的控制指標可能有所不同，但方法論具有通用性。
結論與展望：從理論到實踐的橋梁抗風新篇章
李永樂總結道，本研究從工程實際需求出發，系統性地提出了涵蓋人員舒適性、結構受力與行車線形三個維度的渦激振動綜合評價指標體系。相關限值標準已與設計單位、管理部門反復商討并結合實際確定，部分成果已正式發表。
該研究不僅為解決大跨度懸索橋渦激振動的允許振幅這一工程難題提供了切實可行的技術路徑，更推動了橋梁抗風設計與管理從單一指標控制向多維、精細化評價的轉變，為我國未來超大跨度橋梁的安全建設和安全運營提供了重要的技術支撐。隨著研究的深入與應用推廣，這套體系有望在保障橋梁安全、提升公眾出行體驗方面發揮更大作用。
11月21-23日，相約天津
中國工程院工程科技學術研討會暨
第十三屆國際橋梁與隧道技術大會(IBTC2025)
▲李永樂教授在大會現場分享報告
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低階模態：主要由整體承載力（撓度）控制，允許振幅約0.8米（封橋標準）。 -
中間某階模態：主要由狄克曼指標（行人舒適性）和暈動癥指標（駕乘舒適性）控制。 -
更高階模態：主要由狄克曼指標和橋面加速度控制，允許振幅降至0.5米、0.2米乃至0.1米。
文/大會秘書處綜合整理
讓我們共同期待，
將帶來更多創新技術與行業洞見！
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