斜拉橋拉索風(fēng)雨激振問題研究

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院　重慶　400074)

一、引言

因斜拉橋跨越能力大，受力性能良好，在過去幾個(gè)世紀(jì)乃至到如今應(yīng)用都非常廣泛。中國是橋梁大國，在社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的過程中，建設(shè)了很多大型橋梁。其中有些橋更是因?yàn)槭讋?chuàng)第一在國際上享有贊譽(yù)，例如作為世界上跨度最大斜拉橋：蘇通大橋，主跨1088m，成為了世界橋梁史上的一個(gè)奇跡。更讓國人值得驕傲的是，世界排名前三的斜拉橋都在中國?？梢?，我國在斜拉橋方面的建設(shè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。斜拉橋中作為主要承重構(gòu)件的斜拉索起到了關(guān)鍵作用，其柔度較大、阻尼較低，質(zhì)量又較輕，對風(fēng)的敏感度極高，尤其是大跨徑斜拉橋的拉索構(gòu)件，極易在風(fēng)和雨的激勵(lì)下產(chǎn)生明顯的風(fēng)雨激振現(xiàn)象[1-4]，有些橋梁甚至在風(fēng)雨激振的作用下發(fā)生破壞。風(fēng)雨激振現(xiàn)象是由Hikami等[5]最先發(fā)現(xiàn)的，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各地許多大跨徑斜拉橋的建設(shè)如火如荼，斜拉索在風(fēng)雨作用下發(fā)生這種低頻大幅振動(dòng)[6-8]的可能性更大，對橋梁造成的破壞更大，對人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了更大的危險(xiǎn)。相較于渦激振動(dòng)、參數(shù)共振、內(nèi)共振和尾流馳振等類型[9]，風(fēng)雨激振所引發(fā)的振幅最大，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一系列問題：斜拉索應(yīng)力疲勞損傷、拉鎖錨固區(qū)加速銹蝕及行人和駕駛者的安全感降低和不舒適感等。然而，斜拉索的振動(dòng)誘發(fā)機(jī)理的復(fù)雜性使得高精度模型建立的難度大，對各種研究方法的準(zhǔn)確性提出了考驗(yàn)，因此，探究斜拉索風(fēng)雨激振的機(jī)理并尋求更優(yōu)化的研究方式是十分重要的，通過對該現(xiàn)象的模擬并找出有效的減振方法將具有重要的意義。

二、拉索風(fēng)雨激振研究方法

根據(jù)各種致振機(jī)理的不斷發(fā)展，研究方法也不斷地多樣化，從而可以通過相互比較得到較為精確的解。風(fēng)雨激振是拉索在風(fēng)和雨的協(xié)同作用下發(fā)生的大幅低頻振動(dòng)現(xiàn)象，是一種由拉索、風(fēng)和雨三者相互進(jìn)項(xiàng)干擾的三維空間中的結(jié)果，并且拉索本身具有材料非線性、幾何非線性，接觸非線性等特點(diǎn)，使得研究致振機(jī)理的進(jìn)程緩慢。關(guān)于致振機(jī)理大致有：水線馳振機(jī)理、軸向流致振機(jī)理、彎扭兩自由度耦合致振機(jī)理和雷諾數(shù)影響致振機(jī)理等，為完善致振機(jī)理，尋求更為準(zhǔn)確的模型，當(dāng)前主要采用現(xiàn)場觀測、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析方法進(jìn)行研究。

(一)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬，顧名思義，就是通過當(dāng)下流行的計(jì)算機(jī)，通過結(jié)構(gòu)分析有限元，解決現(xiàn)實(shí)生活中難以解決的問題。數(shù)值模擬運(yùn)用于斜拉橋，使得可以對風(fēng)雨激振進(jìn)行更準(zhǔn)確的求解。特別是繼Appleyyard J R和Cheshire I.M發(fā)表了嵌套因式分解法，VIP推出并行算法，CFD技術(shù)的采用對定量進(jìn)行屬性不確定性分析。這樣的研究方式減少了外界對計(jì)算結(jié)果的影響，可以有效彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)的不足，通過Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬和大渦模擬等，得到了拉索氣動(dòng)力及斜拉索振動(dòng)響應(yīng)。對氣動(dòng)力進(jìn)行科學(xué)分析、對比，將更有利于揭示斜拉索風(fēng)雨激振的機(jī)理。

(二)理論分析。理論分析主要圍繞水線的受力和運(yùn)動(dòng)分析展開的，它是通過對風(fēng)雨激振下進(jìn)行一些近似假設(shè)，即認(rèn)為拉索在風(fēng)力的作用下沿橫風(fēng)振動(dòng)；忽略水線形狀以及對拉索振動(dòng)的影響；水線在風(fēng)力作用下會(huì)從拉索上剝落。這種分析技術(shù)建立能正確反映拉索風(fēng)雨激振特征的理論模型將十分關(guān)鍵，當(dāng)前三維模型試驗(yàn)分析已應(yīng)用較廣，然而沒有一種模型能夠完全解釋這一現(xiàn)象，因此有必要對該方法進(jìn)行更深一步的探究。

三、拉索風(fēng)雨激振減振、抑振措施

拉索風(fēng)雨激振在橋梁設(shè)計(jì)階段比較難以考慮，使得很多橋梁在建成之后會(huì)出現(xiàn)各種振動(dòng)現(xiàn)象，因此不得不采取相關(guān)措施對其進(jìn)行減振、抑振控制。目前，控制斜拉索風(fēng)雨激振的措施主要有三種：氣動(dòng)減振措施、機(jī)械阻尼減振措施、結(jié)構(gòu)減振措施。最近，CFRP斜拉索的研究也不斷推進(jìn)，由于其出色的性能，從材料本身出發(fā)，對風(fēng)雨激振控制將是十分有效的。

(一)氣動(dòng)減振措施。氣動(dòng)減振措施主要是改變拉索的形狀，設(shè)置縱向肋條、凹槽或使用多邊形截面等，以增加斜拉索表面的粗糙程度，可以對水線進(jìn)行干擾并對周圍流場進(jìn)行改善從而使拉索更穩(wěn)定的措施。該方式通過改變橋梁周圍的氣流特性從而變相實(shí)現(xiàn)對外部荷載的控制，這樣實(shí)際上減小了橋梁受到的荷載，延長了橋梁緩沖的反應(yīng)時(shí)間，有效避免了反應(yīng)不及時(shí)的情況。氣動(dòng)減振措施主要有在拉索表面纏繞一些環(huán)狀物，也可人為改變截面大小使其截面形式發(fā)生變化。在這樣的情況下，當(dāng)風(fēng)通過拉索時(shí)，由于截面的大小不一樣，產(chǎn)生的風(fēng)力效應(yīng)不一樣，截面大小與阻力大小成正比，從而起到了減振的作用。

(二)機(jī)械阻尼減振措施。固體振動(dòng)時(shí)，使固體振動(dòng)的能量盡可能多地耗散在阻尼層中的方法，稱為阻尼減振。機(jī)械阻尼減振措施是通過安裝機(jī)械阻尼器是拉索在激振過程中消耗更多的能量，這樣就減小了拉索的振動(dòng)幅度。該方式在很多斜拉橋上都能見到，主要有被動(dòng)式控制、主動(dòng)式控制和半主動(dòng)控制三類，不同的方式有各自的優(yōu)點(diǎn)。它們特點(diǎn)不同，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，作用都是利用阻尼可使沿結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)能量衰減，還可以減弱共振頻率附近的振動(dòng)的原理。在大跨徑橋梁中內(nèi)置式和外置式阻尼器可以協(xié)同作用對減振效果進(jìn)行優(yōu)化。

(三)結(jié)構(gòu)減振措施。結(jié)構(gòu)減振措施主要通過在拉索之間設(shè)置較細(xì)的輔助索[1]，改善索的有效長度，從而增加拉索自身的振動(dòng)頻率，使其整體阻尼提高，以達(dá)到減振的目的的措施。該方式效果較其他方式好，能對低頻振動(dòng)進(jìn)行有效控制，同時(shí)可以降某一根索振動(dòng)發(fā)生的概率。然后由于其對橋梁美學(xué)的差異性，以及輔助索的缺陷特征，該方式在實(shí)際橋梁中使用并不是很多。