4.3.2 功能提升
随着早期建设的大量长大桥梁交通不适应性问题的日益突出，桥梁功能提升面临重大需求。因此，需有计划地加固和改善桥梁设计状态，提高承载能力，增强抗洪、抗震等防灾能力，拓宽断面，满足建筑限界和孔径要求等，提升桥梁的功能。为解决桥梁交通不适应性的状况，我国研究人员和工程技术人员已经进行了广泛的技术研究和工程实践，主要包括桥梁拓宽改造、桥梁高程提升改造、桥梁跨度扩大改造、桥梁结构替换改造、适应桥梁功能改变的结构改造、行车舒适度改造、桥梁行车安全性改造。近年来，这些技术得到了快速发展和大量应用，但施工过程中桥梁结构动态监控技术、新建桥墩的支承转换技术和旧桥墩的拆除技术、虚拟施工技术的研究还待进一步加强，标准化程度也有待提高。
4.3.2.1 独柱墩稳定性改造
近年来，全国各地多次出现了独柱墩梁桥的倾覆事故，造成了重大经济损失和人员伤亡。全国多个省市已逐步开展了独柱墩桥梁抗倾覆稳定性的排查工作，并对需要维修加固的桥梁进行了处置。为了解决独柱墩梁桥倾覆问题，目前普遍采用的方式是对下部结构进行加固改造。
（1）增设墩柱能够完全地消除梁体倾覆可能性，但施工量较大。
当墩下有承台或原墩承载力储备不足时，可以采用增设墩柱加固法。这种加固方式主要是利用原有墩柱下部的承台，在原有立柱的两侧横向各增设一根钢管混凝土立柱，并在新增钢管混凝土立柱顶部增设盆式橡胶支座（见图4-46），然后把原独柱墩单支座拆除，最终形成横向双柱式桥墩支承来提高桥梁结构的承载能力和横向抗倾覆稳定性。根据实际工程条件，也可保留原独柱墩，形成三柱式桥墩（见图4-47）。钢管混凝土立柱与原有承台的连接一般采用在柱脚植筋的方式完成。
图4-46 增设墩柱法示意图
图4-47 加固后的三柱式桥墩
通过实施此加固方案，在原独柱墩梁桥桥跨结构下部增加了竖向支承约束，大大减小了全桥的扭矩，降低了多支座位置出现负反力及支座脱空的可能性，提高了桥梁结构整体的抗倾覆稳定性，保证了行车安全。
（2）增设盖梁法是便捷有效的解决手段，易于安装且造型美观。
当原独柱墩承载力储备较大时，可以通过在部分独柱墩上部加设盖梁的方式进行抗倾覆加固。通过在盖梁顶部加设盆式橡胶支座，把桥梁上部结构单支座支承改变成三支座或者五支座支承形式，减小全桥扭矩作用，调整支座反力，降低支座脱空的可能性，从而提高桥梁结构的整体抗倾覆稳定性。增设盖梁加固法一般采用钢盖梁或者预应力混凝土盖梁，具体采用哪种类型，需要从结构受力和经济因素等多方面综合考虑。根据原独柱墩的截面形状，采用钢盖梁加固时，盖梁与墩柱的连接方式分为两种：当原墩柱为矩形墩时，一般采用螺栓连接：当原墩柱为圆形墩时，一般采用套箍连接（见图4-48）。
图4-48 增设盖梁法加固
增设盖梁加固法有许多优点。首先，增设盖梁相对于增设墩柱来讲，其自重轻，对原结构基础施加的额外恒载较小；其次，增设盖梁加固施工快、周期短，对桥面交通影响较小。但是，这种方法也有其不足之处。特别是钢盖梁，基于材料自身的特性，钢构件要比混凝土构件的整体刚度小很多，对新添加的支座受力影响较大。另外，钢构件造价高、易腐蚀、后期养护成本较高。
（3）利用吊篮法安装抗倾覆锚栓系统，为超高独柱墩提供了更优的加固方案。
传统的独柱墩加固方法往往需要搭设支架或借助登高车作为施工平台，但当桥墩过高时，传统方法就不再适用。工程人员提出了一种利用吊篮法安装的抗倾覆锚栓系统，能够有效地进行超高独柱墩的抗倾覆加固施工（见图4-49）。
图4-49 吊篮法安装抗倾覆锚栓系统
首先在混凝土梁体的侧面钻孔植筋，固定上锚板（若为钢梁，则在腹板处焊接上锚板），之后在混凝土桥墩上钻孔植筋安装下锚板，最后将钢拉板与上下锚板的圆孔同时栓接，安装后的效果如图4-50所示。左右拉板的加设显著加强了梁墩整体性，有效消除了梁体倾覆的隐患，并且利用吊篮在主梁纵轴线两侧同步施工，能够大幅缩短工期，在超高墩柱的抗倾覆加固中能够满足快速施工、快速开放交通的要求。
图4-50 安装后效果图（半截面）
综上所述，目前各类独柱墩梁桥的抗倾覆加固方法能够适用于不同的结构条件，均具有较强的工程应用价值。而独柱墩曲线梁桥的下部结构受力比直线桥要复杂得多，因此，未来需要进一步对独柱墩曲线梁桥的抗倾覆加固进行针对性的研究。
4.3.2.2 斜拉索风雨振控制
风雨振（wind-rain induced vibration），最早1988年由日本学者Hikami和Shiraishi在Meiko-nishi桥上观测到风雨联合作用下斜拉索产生大幅振动。近年来，除我国的上海杨浦大桥、洞庭湖大桥、南京长江二桥、苏通大桥等外，日本Aratsu大桥与Tenpohzan桥、美国Fred Hartman桥、荷兰Erasmus桥、澳大利亚Glebe Island桥、英国Second Severn桥、法国Bro-tonne桥、德国Koehlbrant桥、丹麦Faro桥等，也均有观测到该振动现象的报道。风雨激振研究也呈现出一些特点与趋势。
（1）风雨激振致振机理复杂，尚无统一定论。
自20世纪末最初观测到该现象以来，由于斜拉索风雨激振涉及气液固的三相耦合，致振机理复杂，至今还无统一解释。国内外学者为此已开展大量的理论研究、人工风洞试验和数值模拟等工作，目前存在几种不同的机理解释，如驰振机理、水线致振理论、轴向流理论、涡振理论、雷诺数效应、卡门涡抑制理论及水膜理论等（见图4-51）。
图4-51 风雨振机理理论的发展
近年的研究显示，影响斜拉索风雨激振的参数众多，如索倾角、风偏角、自振频率、振动阻尼比、风速、雨量等（见图4-52）。传统研究基本上采用气液耦合理论模型或者液固耦合理论模型，但这些模型都存在一定的片面性。近年来，基于气液固三相耦合的模型，大量的研究工作开展起来，并逐渐细化，有望为机理解释提供可靠依据。
图4-52 风雨振影响因素示意图
最新研究结果显示，风雨振易发生在低风速高雨量或者高风速低雨量条件下。两者的发生机制存在不同，低风速高雨量时，并未产生明显的上路连续的水路，因此形成的表面水膜可能是此时振动现象的主要原因；高风速低雨量时，产生上下两路水线，而上水线的位置及规律性的振荡可能是致振的关键。
不仅如此，上路水线对振动的影响较大。在低风速时会产生下水线，而当风速增加某一值时，会产生上路水线，但风速过高时，上路水线将会消失。虽然机理解释尚不明朗，但这些研究无疑为工程抑振措施提供了重要的数据支撑和理论指导。
（2）风洞试验和现场实测大量开展，CFD数值模拟有望成为低成本高效率研究手段。
传统的斜拉索风雨激振的研究基本依靠现场观测，但现场观测受限于随机性和不确定性，理论发展缓慢。
后来随着认识增加，形成了以风洞试验为基础的研究手段，通过试验现象观察，结合拉索力学振动模型，揭示风雨振的机理。在风洞试验中，国内外学者开展了大量的人工雨线试验和人工降雨风洞试验（见图4-53、图4-54）。相关的试验参数主要包括频率、阻尼比、索倾角、风向角、风速、雨线形状等。
图4-53 人工雨线试验模型
图4-54 人工降雨风动试验布置
但目前人工降雨风动试验开展的主要是节段模型试验，而其发展也受限于试验成本、试验场地大小、雨环境的模拟条件及响应测试手段等。因此，近年来计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟技术发展极为迅速。与传统风洞试验方法相比，数值模拟方法具有诸多优势，如可模拟全尺寸模型，易于改变参数，能够模拟不同的风环境，可视化等。实践表明，CFD数值模拟技术在桥梁初步设计阶段的气动选型、风振机理的分析研究、参数识别和设计独立审核工作等方面极具可行性与可靠性，以及今后过渡到“数值风洞”中都担任着重要的角色，并发挥着不可忽视的作用。
（3）阻尼器不断升级，斜拉索振动控制措施更加可靠。
伴随理论研究的深入开展，当前已形成了三类振动控制措施：气动措施、机械措施和结构措施。其中，机械措施主要采用安装阻尼器的方式，对斜拉索的振动进行抑制，已成为必备的振动控制措施，在各大长大跨桥梁上均有安装，见表4-9。不仅如此，采用螺旋线或者凹坑的气动措施也成为广泛应用的斜拉索振动控制的辅助手段。
表4-9 部分长大跨斜拉桥斜拉索振动控制措施
阻尼器的不断发展与升级为控制斜拉索振动提供了更为可靠的保障。在20世纪80年代，主要采用油压阻尼器，如美国Sunshine Skyway桥与日本Aratsu桥。到20世纪90年代，逐渐开始使用高阻尼橡胶阻尼器、黏滞阻尼器、调谐质量阻尼器等，如日本东京湾大桥、多多罗大桥，中国杨浦大桥、铜陵长江大桥等，而且形如表面开槽、螺旋线等形式的气动措施开始尝试应用于工程中。进入21世纪，工程中主要采用黏滞剪切型阻尼器、磁流变阻尼器等，如中国的岳阳洞庭湖大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥等。除此之外，较早建设的桥梁中有不少采用辅助索的形式进行拉索的振动控制，如日本明港西大桥、法国Normandy桥、丹麦厄尔松海峡大桥。但鉴于桥梁美观性考虑，目前广泛采用了安装阻尼器的方式。
近年来，各式新型的高性能阻尼器也被开发出来，并逐步应用于实际工程，如摆式杠杆质量阻尼器、永磁调节式磁流变阻尼器、电磁电涡流杠杆质量减振器等。从当前的阻尼器性能对比来看（表4-10），各类的新式磁流变阻尼器，如永磁磁流变阻尼器、电控式磁流变阻尼器，耐久性好，易调节，易安装，易维护，整体性能优于传统的阻尼器，也已逐渐应用于工程，未来具有更好的发展空间。
表4-10 阻尼器优缺点对比
可见，在控制斜拉索振动时，阻尼器的选择逐渐多样化，不再受限于技术的落后，并且可经过全面的比选，抑振效果、耐久性、经济性等均是考量的重点。
（4）超长索振动带来新挑战，半主动控制等技术提供解决可能。
现有研究及工程应用显示，被动黏滞阻尼器已在一定程度上解决了斜拉索的振动问题，但减振效果受到安装高度的制约，对超长斜拉索提供的附加阻尼有限，且阻尼器支撑刚度、内刚度，以及斜拉索垂度、抗弯刚度和索梁耦合振动等因素，均给斜拉索减振效果带来了不利影响。斜拉索各阶模态所需的阻尼器最优参数存在差异，难以同时实现多阶模态最优被动控制。
2018年，在苏通长江公路大桥上观测到了斜拉索的高阶涡激共振，模态可达28阶，而斜拉索风雨激振常发生在3～5阶。这就要求在斜拉索上安装阻尼器进行振动控制时，需同时对低阶和高阶模态有较好的控制效果。这已经成为当前工程亟待解决的问题之一。
近年来研究显示，基于MR阻尼器的智能（半主动）控制技术已逐渐成为提升斜拉索减振效果的重要手段。相关理论分析、模型试验与现场实测结果均表明，MR阻尼器半主动控制具有更优越的减振效果，呈现负刚度控制特征的MR阻尼器半主动控制可将斜拉索的最优附加模态阻尼比提高到常规被动线性黏滞阻尼器的2倍以上，且可以较好地实现斜拉索多阶模态最优控制。
但对于MR阻尼器而言，正常工作需要两个必备条件，即足够的供给电压与输入效率。因此，近年来国内外学者提出通过回收斜拉索振动能量，实现斜拉索振动主动、半主动控制的能量源自供给。
目前，主要是将能量回收技术与需要较小能耗的MR阻尼器结合起来使用，实现MR阻尼器的电源自供给（见图4-55）。已出现基于直线式电磁振动能量回收技术、旋转式电磁振动能量回收技术与压电能量回收技术。
图4-55 斜拉索减振试验照片
但事实上，现有的大多数自供电MR阻尼器减振装置，能量回收效率较低，再加上电路损耗，难以投入实际拉索振动控制中应用，且研制的自供电MR阻尼器减振装置比较复杂、可靠性较低、应用成本高，难以大量推广应用于实际工程中。因此，未来可考虑采用旋转式三相电机进行振动能量的回收，以实现振动能量的更高效回收，研发结构更加简单、高效与可靠的自供电MR阻尼器减振系统（见图4-56）。
图4-56 斜拉索-自供电MR阻尼器复合减振系统示意
受半主动控制负刚度特性提升斜拉索减振效果的启发，采用并联负刚度弹簧单元的被动负刚度阻尼器可在一定程度上改善传统被动阻尼器因安装位置过低而引起的嵌固效应，具有更好的抑振效果。但当负刚度过大时，可能诱发减振系统稳定性问题。在此基础上，具有质量放大效应的两节点惯质单元“inerter”的引入为实现结构被动负刚度控制提供了新的思路与方法。
目前，基于负刚度弹簧单元开发出的一系列阻尼器（见图4-57），如黏滞质量阻尼器、调谐黏滞质量阻尼器、惯质阻尼器、黏滞惯性质量阻尼器、调谐惯性质量阻尼器、可调性的惯性质量电磁阻尼器等，在斜拉索振动控制方面将有极大的应用空间（见图4-58）。未来有必要建立斜拉索多阶模态最优被动控制的阻尼器参数优化理论与方法。
图4-57 新型惯质阻尼器（Zhu et al.2019）
图4-58 斜拉索减振试验系统示意与现场照片
综上所述，风雨振机理复杂，水线振荡、水膜理论等尚不能解释全部风雨振现象，未形成统一定论。在研究手段上，开展了大量风洞试验和现场实测，呈现向CFD数值风洞发展的趋势。在振动控制上，螺旋线、凹坑等气动措施尚不能完全消除振动现象，还需依靠阻尼器。超长索高阶模态振动为风雨振控制带来新挑战，各阶模态所需最优参数的差异化使得半主动控制技术备受关注。
4.3.2.3 柔性梁体风致振动控制
随着桥梁跨径的不断增大，结构质量越来越轻，结构刚度越来越小，结构阻尼越来越低，从而导致对风致作用的敏感性越来越大。颤振是一种气动不稳定现象，必须要严格杜绝。在悬索桥运营期，可能出现长吊索风致振动、风致疲劳、主梁涡振、桥塔涡振、风致行车安全等问题。对于大跨度悬索桥，必须采取控制措施来改善桥梁的抗风性能。例如，香港青马大桥采用了开槽，润扬长江大桥采用了中央稳定板（见图4-59），大贝尔特桥采用了导流板，舟山西堠门大桥采用了分体双箱梁（见图4-60），明石海峡大桥采用了开槽加稳定板形式的桁梁等。
图4-59 润扬长江大桥箱梁断面
图4-60 舟山西堠门大桥箱梁断面
我国从20世纪70年代末开始桥梁抗风研究，通过80年代的学习与追赶，为1991年建成的我国第一座跨度超过400m的大桥——上海南浦大桥抗风做出了重大贡献。经过90年代的提高和跟踪，有力支撑了以我国第一座跨度超过1000m的特大桥——江阴长江大桥等桥梁的建设。进入21世纪后，面对特大桥梁建设的国家需求和桥梁抗风研究的学科使命，开展了创新和超越研究工作。经过40余年的全面跟踪和近10年的重点突破，形成了精细化的桥梁风振理论。
（1）颤振研究。
在三维桥梁颤振分析方面，将近似的多模态分析拓展到了精确的全模态分析，实现了悬索桥施工阶段颤振性能演化规律、典型主梁断面颤振驱动机理和多种颤振控制措施原理的精细化。
（2）抖振研究。
将桥梁抖振理论分析从正交风作用拓展到了任意斜交风作用，并完成了理论分析结果从模型风洞试验验证到实桥现场实测验证的拓展。
（3）涡振研究。
基本揭示了涡振及气动抑振措施的机理；开发了多种型号的抑振阻尼器，并探讨了它们在大跨度悬索桥涡振控制中的应用。
（4）风振疲劳及可靠性分析。
初步建立了缆索承重桥梁风振可靠性评价方法，将确定性安全系数评价法拓展到了随机性可靠度评价法；建立了大跨度桥梁风致疲劳频域分析方法和时域分析方法。
（5）吊索风致振动研究。
仅初步研究了长吊索风致振动特性及减振技术，尚有较多不清晰与不完备之处。
（6）风致行车安全。
建立了典型车辆在多风向侧风作用下发生侧滑及侧倾的力学分析模型，确定了其在桥面行驶的安全风速。然而，由于悬索桥结构本身和风振问题的复杂性，理论计算结果与试验结果与工程实际之间可能存在很明显差别，甚至截然不同。例如通过风洞试验提出的认为可以抑制涡激共振的措施，却未能阻止西堠门大桥建成后的涡激共振的发生，即试验中未发现的风振现象在桥梁运营期出现了。因此，今后应当继续深入进行风振理论精细化、桥梁风振机理、可靠性评价和风振控制等方面的基础性研究。同时要积极开展计算流体动力学技术和数值风洞，以及桥梁等效风荷载方面的创新性研究（见图4-61），为未来跨海跨江工程中的特大跨度悬索桥的风振控制做好准备。
图4-61 基于计算流体动力学技术的桥梁风荷载及流场模拟