大跨徑斜拉橋拉索振動的研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

因拉索具有剛度小阻尼低等缺點造成了拉索在外界因素的干擾下較容易發(fā)生振動。況且在現(xiàn)代多數(shù)橋梁中多采用長索，增大了拉索發(fā)生振動的幾率和幅度，今年來的研究表明拉索由紊流和結(jié)構(gòu)等因素造成的拉索振動特征最為明顯。自從人們發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象至今的20多年來，專業(yè)研究人員不斷對雨振現(xiàn)象的原理進(jìn)行探索，至今形成了三種主要的方法：現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗及理論分析。

雨振是斜拉索最強烈的振動類型之一，其最大振幅可達(dá)2m[1]或5倍索徑[2]以上(多數(shù)報道為0.6m左右)，容易使相鄰索之間發(fā)生碰撞，再加上振動的時間較長極易導(dǎo)致斜拉索出現(xiàn)疲勞[3]，使索的保護(hù)裝置及兩端的錨固、防腐裝置開裂，大大降低了拉索的使用壽命，同時還容易導(dǎo)致錨頭、橋面板等相鄰構(gòu)件開裂破壞[2]。在風(fēng)雨天氣拉索發(fā)生大幅度振動的幾率高且幅度大，必然會引起橋面的晃動，給交通造成影響，如果一座橋梁經(jīng)常發(fā)生振動必然會大幅度減少其使用壽命并且對橋梁的維修加固造成困難。

一、風(fēng)雨激振的機(jī)理

(一)單自由度馳振理論[4,5]

經(jīng)過大量拉索振動試驗，研究人員得出一個結(jié)論：在一定的水線平衡角范圍內(nèi)，拉索在索面的振動幅度大于橫向。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：將現(xiàn)場實測得到的數(shù)據(jù)與人工試驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，風(fēng)雨激振發(fā)生時的上水線平衡角恰好與試驗室的到的馳振角吻合。這種拉索風(fēng)雨激振的水線平衡角范圍、人工水線拉索振動試驗的發(fā)生大振幅橫向振動的人工水線“平衡角”范圍以及人工水線拉索靜力三分力試驗產(chǎn)生負(fù)升力斜率的人工水線“平衡角”范圍的一致性，這一點可以說明兩者之間存在某種關(guān)聯(lián)。

(二)兩自由度藕合理論[6]

在拉索發(fā)生風(fēng)雨激振時發(fā)現(xiàn)，拉索表面的水流會沿著所得圓周發(fā)生轉(zhuǎn)動，由此猜測水流的這種運動有可能會改變索上荷載的變化，故得出有關(guān)風(fēng)雨激振的結(jié)果：在水流沿索下流的過程中使索的外表發(fā)生變化，在一定情況下形成馳振斷面并使拉索發(fā)生單向的振動;在水沿拉索下流的過程中發(fā)生圓周運動，改變了作用在拉索上的荷載效應(yīng)，使其發(fā)生橫向面內(nèi)的振動。

(三)軸向流理論[7]

一般情況下風(fēng)向不可能恰好與索的軸向平行，為方便分析風(fēng)的影響將其分為沿索的橫截面方向和拉索的軸向。雖然軸向風(fēng)存在，但是軸向風(fēng)對拉索振動影響較小。經(jīng)過大量研究表明渦激振動在沒有雨的作用下更明顯，所以軸向流作用下的振動是渦激振動，但拉索得渦激共振的振幅較小，遠(yuǎn)小于拉索風(fēng)雨激振時峰值。相反的是在雨水作用下，會發(fā)現(xiàn)在其中一股在沿索下流的過程中，在索任意的間距處發(fā)生于水線垂直方向的流動，研究表明這種無規(guī)律的運動不會加強索的渦激振動；另一部分則會沿拉索的軸線方向流動。綜上可以確定軸向流對拉索的振動影響較小，在一定的條件下可忽略不計。

二、斜拉索的振動控制

(一)拉索的氣動控制法[8,9]

拉索的空氣動力學(xué)控制法具有施工簡單、工廠化等特點被廣泛應(yīng)用，多采用的形式是：在索的表面設(shè)計凹凸不平的坑槽、在拉索表面纏繞線和采用動力特性有益的橫截面。這些措施都是從改變水流下流的路線而達(dá)到提高抗振的目的。

空氣動力學(xué)控制方法的優(yōu)點是：費用低、不需要維護(hù)、施工工藝簡單等。但是要充分認(rèn)識到采用不同措施時對風(fēng)雨激振的效果，防止產(chǎn)生不利的影響，因此對這方面的知識要求較高。

(二)拉索振動機(jī)械控制措施

為提高拉索的阻尼減小振動的幅度，各類形式的阻尼器運用而生，如液壓阻尼器、橡膠阻尼器、摩擦阻尼器等。阻尼器在實際工程中的運用也確實表明對提高拉索的阻尼減小拉索振動起了極大作用。阻尼器多安裝在拉索的底端位置，有利于更換和維修。但有的也存在較大的問題，如橡膠阻尼器主要是由一種高耗能的材料制成，在拉索發(fā)生振動時發(fā)生變形吸收能量。

(三)結(jié)構(gòu)控制措施

結(jié)構(gòu)控制措施是以能量的傳遞為起點的方法，具有代表性的做法就是通過輔助拉索將不同的主索連接，形成一個較密集的體系。在這個體系中由于長索被分成了多段，以約束條件減少自由度長度，進(jìn)而提高了振動的頻率使能量在相互傳遞的過程中大量消散。輔助索有剛性和柔性之分，經(jīng)試驗表明:柔性輔助索可以更好的提高拉索阻尼，并有一定的能量耗散;而剛性索幾乎沒有能量耗散。

輔助索最早應(yīng)用于丹麥的法島橋，后來法國的諾曼底大橋等橋也相繼采用了輔助索。法國大橋輔助索布置形式雖然經(jīng)驗表明輔助索能有效減小拉索的風(fēng)雨激振的振幅，但研究人員對其機(jī)理并未完全掌握，因而尚無完善有效的設(shè)計理論[10]。此外，這一方法不能抑制拉索的高階振動，對于抑制渦激振動效果不明顯。因此也有相當(dāng)多的輔助索破壞的事故發(fā)生，美國Texas橋的輔助索在使用一年后就出現(xiàn)了疲勞破[11]。

三、結(jié)論和展望

通過閱讀大量文獻(xiàn)，了解到斜拉橋拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的原因、特點和原理。其中一個重要條件就是風(fēng)雨并存并且拉索外表光滑，而且對多年來的研究成果有了大體的認(rèn)識。由于拉索的風(fēng)雨激振更是造成斜拉索破壞的主要振動之一，因此逐漸成為十多年來國際和國內(nèi)橋梁工程界和風(fēng)工程界研究人員關(guān)注的焦點。

雖然現(xiàn)在還存在諸多難題并且對風(fēng)雨激振的原理形成一個統(tǒng)一的認(rèn)識，但是已經(jīng)在多方面已經(jīng)取得了顯著成績，我相信在不久的將來在大家的共同努力下一定可以克服這一難題，使斜拉索的優(yōu)勢更好的展現(xiàn)出來，使大跨度斜拉橋更好的服務(wù)于人類。