剖析日本桥梁抗风设计基准之我见

　　简介： 本文通过日本桥梁抗风设计基准的制定过程和编集背景，分析了构成桥梁抗风设计基准体系的各抗风设计基准，指出日本的抗风设计基准具有可操作性强、体系完善等特点，以期对我国桥梁抗风规范的制定和发展提供一些借鉴和参考。
　　关键字：桥梁抗风 基准
　　一、前言
　　随着交通事业突飞猛进的发展，自80年代末以来的短短的十多年间，我国建成了20余座以斜拉桥、悬索桥为主要桥型的主跨400m以上的大跨度桥梁。斜拉桥、悬索桥对风作用反应敏感，风的作用尤其是动力作用往往成为这两种桥梁设计和施工的控制因素。我国目前的《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）虽有静风荷载方面的条款，但不适用于大跨度的桥梁，桥梁的动力抗风设计和施工过程中的抗风验算更是空白，因此，中交公路规划设计院和同济大学项海帆院士为首的有关研究人员，在国内从事桥梁抗风研究的单位和专家的积极支持下，总结我国十几年来桥梁抗风理论研究和风洞试验的成果，并参考、吸收了其他国家桥梁抗风设计规范和标准中的一些成果，历时3年，于 1996年4月编制完成我国第一部用于大跨度桥梁抗风设计的指导性文件《公路桥梁抗风设计指南》（以下简称《指南》）。
　　《指南》公布4年多来，在指导大跨度桥梁的抗风设计中，发挥了巨大的作用，但由于风的作用和桥梁对风反应的极其复杂性，《指南》的深度和广度尚不能完全解决桥梁所涉及的抗风设计和验算的问题，再加上应将近年来由于桥梁抗风研究的进一步深入和实际工程积累的日渐丰富的经验中所获得的新见解纳入，以便更方便、有效、规范地进行桥梁抗风设计。交通部于1997年立项编制中华人民共和国交通部行业标准《公路桥梁抗风设计规范》（以下简称《规范》）。《规范》的编写工作虽已近结束，但《规范》的颁布实施尚待一些时间，《规范》虽比《指南》大大前进了一步，但我国大跨度桥梁的建设高潮方兴未艾，在更恶劣的风环境条件下建设更大跨度的桥梁已在前期准备工作之中，而且《规范》也还不能完全解决桥梁抗风设计的所有问题，涵盖不了所有不同跨度、不同构造形式，不同地区、不同地形条件下的桥梁抗风问题。我国的近邻日本经常遭受强台风的袭击，20世纪60年代以来，又修建了以本州四国连络桥为代表的许多跨海大跨度桥梁，桥梁抗风设计基准日臻完善。本文就日本的桥梁抗风设计基准（为便于查阅，在不影响意义的情况下，使用日文汉字名称）为例，说明桥梁抗风设计规范的变迁和体系，以期对我国桥梁抗风设计规范的编制和发展提供一些借鉴和参考。
　　二、日本桥梁耐风设计基准的变迁和制定背景
　　40年来，日本的桥梁抗风设计基准经历了种种变迁并逐渐形成了完善的体系。
　　1959年，日本建设省和国有铁道开始有组织地进行有关本州四国连络桥（以下称本四连络桥）的研究工作。1961年研究工作委托日本土木学会进行，在土木学会中设立了本四连络桥技术调查委员会，该委员会下设种种小委员会，以东京大学平并敦教授为首的耐风设计小委员会于1963年开始工作，当时虽已将反省美国旧Tacoma风毁跨桥中获得的见解应用到新Tacoma桥、日本的若户桥、英国的塞文桥的抗风设计中，但这些仅是个别桥梁的抗风设计，尚未形成体系。日本的本四连络桥群中有大量抗风性能非常重要的大跨度桥梁，必须有一个统一的标准，因此制定了“本州四国连络桥耐风设计指针·同解说（1964）”（以下称“指针64”），后经苦于修改后成为“本州四国连络桥耐风设计指针·同解说（1967）”，（以下称“指针67”）。
　　1970年成立了本州四国连络桥公团（以下称本四公团）负责调查研究的主要工作，但委托给土木学会的工作仍由土木学会继续完成，成立了建设省土木研究所大久保博士为首的耐风研究小委员会，其主要任务是①制定容纳、吸收“指针67”以后的新研究成果的抗风设计基准。②制定风洞试验基准。③进行为评价风洞试验精度的抗风实验桥的观测。该小委员会工作成果是制定了“本州四国连络桥耐风设计基准（1972）”，（以下称“基准72”），“本州四国连络桥耐风设计基准（1975）”，（以下称“基准75”），后经修改变为“本州四国连络桥耐风设计基准（ 1976）”（以下称“基准76”）和“本州四国连络桥风洞试验基准 （1976）”（以下称“试验基准76”），本四桥中的因岛大桥、大呜门桥、懒户大桥、大岛大桥都是按上述基准进行抗风设计和风洞试验的，本四桥以外的许多大跨度桥梁的抗风设计和风洞试验也参照了上述基准。大久保博士领导的耐风研究小委员会的工作于1975年结束。
　　“基准76”虽说是在当时抗风研究的最新成果和见解的基础上编集制定的，但在实施的过程中又发现了一些新的现象和问题。由于没有充足的时间进行研究，只好在桥梁抗风设计中取稍微富裕的安全储备。
　　1976年，为了处理在实施“基准76”和“试验基准76”出现的问题和进行抗风实验桥观测数据的处理分析工作，又在土木学会中设立了以中央大学同内功教授为首的耐风研究小委员会。70年代后期至80年代前期，正是明石海峡大桥的中跨改为近2000m的讨论研究时期，确保明石海峡大桥的抗风性能是非常重要的课题，冈内功教授为首的耐风研究小委员会在1982～1987年间，根据明石海峡大桥各种设计方案抗风研究成果以及对桥梁抗风的一些新见解，编集制定了“明石海峡大桥耐风设计要领（案）·同解说（1988）”，（以下称“明石要领（案）88”）
　　1989年有关本四桥的调查工作由土木学会转至海洋架桥调查会，同时成立了以横滨国立大学宫田利雄教授为首的耐风委员会，该委员会对“明石要领（案）88”进行了部分修改，制定了“明石海峡大桥耐风设计要领·同解说（1990）”（以下称明石要领90“），同时并对以前的”试验要领76“进行补充、修正而制定了”明石海峡大桥风洞试验要领（1990）“（以下称”明石试验要领90“）。
　　该委员会在确定“明石要领90”、“明石试验要领90”的同时，制定了适用于尾道·今治线路的新尾道大桥、多多罗大桥、来岛大桥的“尾道·今治ル-ト耐风设计基准·同解说（1994）”（以下称“尾道·今治基准94”）。该委员会还总结了“明石要领叨”之后进行大型风洞全桥模型试验以及从明石海峡大桥、多多罗大桥、来岛大桥的抗风设计获得的研究成果。制定了“耐风设计基准（案）（1998）”（以下称“基准”（案）98“）。以下为本四桥建设与抗风设计基准制定的对照情况。
　　1959年建设省、日本国有铁道开始本四桥建设调查研究平井敦
　　1963年土木学会耐风设计小委员会成立 “指针64” “指针67”
　　1970年 本四公团成立
　　1971年土木学会耐风研究小委员会成立大久保
　　1972～1974年抗风实验桥观测 “基准72”
　　1975年土木学会耐风研究小委员会成立 “基准 75” “基准76” 冈内功
　　1976年 大鸣门桥开工 “试验基准76”
　　1977年 因岛大桥开工
　　1978年儿岛·坂出线路开工
　　1980年 实桥振动观测 “试验要领80”
　　1984年 实桥振动试验（大呜门桥、南备赞濑户大桥、柜石岛大桥、大岛大桥等）
　　1988年 明石海峡大桥开工，来岛大桥开工 “明石要领（案）88”
　　1989年 海洋架桥调查会，耐风委员会成立，明石海峡大桥大型风洞试验 “明石要领90” 宫田利雄
　　1990～1997年多多罗大桥大型风洞试验 “明石试验要领90”
　　来岛大桥大型风洞试验 “尾道·今治基准94”
　　1998年 明石海峡大桥建成 “基准（案）98”
　　1999年 尾道·今治线路完成
　　三、各抗风设计基准的特点
　　抗风设计基准的编制是和大跨度桥梁的建设相互制约与促进的，构成桥梁抗风设计基准体系的各抗风设计基准的特点如下：
　　1．“指针64”
　　（1）设定了考虑高度分布等因素的基本风特性
　　（2）提出了考虑重现期的基本风速设定方法
　　（3）确定自激振动的校核风速为1.2倍的设计风速
　　2.“指针67”
　　 （1）确定呜门海峡的基本风速为50m/s，其他地区为45m/s
　　（2）考虑重限期为100年，150-年
　　（3）施工中的风速重限期为30年
　　（4）根据紊流尺度和结构尺寸的关系修正设计风速
　　（5）根据风速设定设计中考虑的迎角为±5°，±10°
　　3．“基准72”
　　（1）明确了抗风设计的流程
　　（2）基本风速分为四个区域，重现期为150年
　　（3）设计风荷载考虑阵风反应的修正
　　（4）设定了风洞试验基准和容许误差
　　（5）迎角为±7°
　　4．“基准75”
　　（1）基本风速分为五个区域
　　（2）修改风速高度分布
　　（3）修正考虑风荷载时的容许应力增加系数
　　（4）确定了施工中核核用的风荷载
　　（5）在风洞试验基准中增加主塔的模型试验
　　5．“基准76”
　　（1）为了和上部结构设计基准相一致，对风荷载的计算方法进行部分修改
　　（2）在“风洞试验要领80”中，增加模型制作，试验结果整理的内容
　　6．“明石要领90”
　　（1）针对明石海峡大桥的专用基准
　　（2）基本风速改为46m/s
　　（3）将阵风反应的影响由风速的修正改为风荷载的修正在附录中增加阵风反应分析方法
　　（4）结构阻尼分为弯曲、扭转两种
　　（5）规定进行阵风反应解析校核
　　（6）校核迎角为±3°
　　（7）在自激振动的检验风速中考虑风速时间变化
　　（8）在风洞试验要领中增加成桥后主塔风洞试验等
　　7．“尾道·今治基准94”
　　（1）针对尾道、今治线路专用的抗风基准
　　（2）设定尾道航路的基本风速、风速的高度分布和紊流强度
　　（3）由阵风反应分析结果进行的风荷载的修正
　　（4）增加拉索风雨振动的检验
　　8．“基准（案）98”总结大型风洞全桥模型实验研究成果
　　四、结束语
　　日本除了上述适用于大跨度桥梁的桥梁抗风设计基准以外，还于1991年由日本道路协会编集了适用于跨度小于200m以下桥梁的“道路桥耐风设计便览”，40年来，随着日本桥梁的建设，已形成了一套完整的桥梁抗风设计基准体系。在设计基准制定编集过程中，土木学会发挥了巨大的作用，各个基准制定时间和背景不同，但并非新的基准就一定比旧的基准完善和先进，各个基准是考虑不同的桥梁跨度，不同的地域，不同的架桥位置的地形特点，不同要求的风洞试验等因素而制定，因而可操作性非常强，风洞试验是桥梁设计、检验、研究不可缺少的手段，为了正确地评价风洞试验的结果，日本制定了用以指导风洞试验的基准，？quot；试验基准76“，”试验要领80“，”明石试验要领90“。此外各个基准均明确规定抗风设计的最基本的风的特性，并对阵风反应的影响有较详细的规定。以上几点在编制我国的桥梁抗风设计规范时应予以借鉴和参考。