斜拉索渦激振動氣動控制措施試驗研究

劉志文 沈靜思 陳政清 王敬民 馮良平

摘要： 針對大跨度斜拉橋拉索在常遇風(fēng)速下的渦激振動問題，以蘇通長江公路大橋為研究對象，首先對斜拉索風(fēng)致振動響應(yīng)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后分別針對表面凹坑和表面光滑纏繞小直徑螺旋線拉索進(jìn)行了節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，研究了不同阻尼比、不同螺旋線參數(shù)對拉索渦振的控制效果，最后對推薦采用的螺旋線措施進(jìn)行了表面凹坑拉索模型測力試驗。結(jié)果表明：在低阻尼比條件下，表面凹坑拉索和表面光滑纏繞小直徑（和，為拉索直徑）雙螺旋線拉索存在明顯的渦振現(xiàn)象;增加阻尼比或設(shè)置線徑為、螺距為的雙、三螺旋線可有效減小拉索渦振振幅;設(shè)置線徑為、螺距為的雙、三螺旋線時，表面凹坑拉索阻力系數(shù)分別比不設(shè)置螺旋線時表面凹坑拉索阻力系數(shù)增大30.8%?48.0%和60.7%?80.6%，而表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差較不設(shè)置螺旋線時表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差分別降低53.2%?83.7%和56.6%?80.2%，從而可有效抑制表面凹坑拉索渦振響應(yīng)幅值。

關(guān)鍵詞： 斜拉橋; 渦激共振; 風(fēng)洞試驗; 表面凹坑拉索

中圖分類號： U448.27? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? 文章編號： 1004-4523（2021）03-0441-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.03.001

引 言

大跨度斜拉橋拉索具有質(zhì)量輕、固有阻尼低、在各種激勵條件下極易發(fā)生振動的特點。斜拉索風(fēng)致振動現(xiàn)象主要有風(fēng)雨振、渦振、干索馳振與尾流馳振等。近年來，部分學(xué)者在研究拉索風(fēng)雨振時觀測到了渦振現(xiàn)象。Hikami等[1]對日本Meiko?Nishi橋進(jìn)行了為期5個月的現(xiàn)場實測。實測表明：拉索風(fēng)雨振幅值遠(yuǎn)大于渦振幅值。Main等[2]對美國Fred Hartman橋斜拉索振動響應(yīng)進(jìn)行了實測。結(jié)果表明：在不同風(fēng)速和雨量條件下，部分拉索不僅存在風(fēng)雨振，還存在高階渦振現(xiàn)象。王修勇等[3]對洞庭湖大橋斜拉索A12號索（長121.9 m，直徑119 mm）進(jìn)行振動監(jiān)測，結(jié)果表明，拉索存在經(jīng)典渦振和高折減風(fēng)速渦振現(xiàn)象。儲彤[4]以金塘大橋為背景進(jìn)行了斜拉索風(fēng)致振動響應(yīng)實測與試驗研究。結(jié)果表明：監(jiān)測期間該橋CAC20號斜拉索加速度最大值達(dá)到6.5 m/s2，且該索發(fā)生了多階振動，不同時段斜拉索振動頻率不同，主要為5?15 Hz。吳廣潤[5]對濱州黃河公路大橋N22號索（長190 m，直徑186 mm）進(jìn)行渦振模擬計算，計算結(jié)果表明該拉索在風(fēng)速2?7 m/s時會發(fā)生顯著的渦振現(xiàn)象。Chen等 [6]進(jìn)行了不同風(fēng)速剖面下拉索渦振試驗研究。試驗結(jié)果表明：在不同風(fēng)速剖面下，拉索發(fā)生了單模態(tài)或多模態(tài)渦振現(xiàn)象。單模態(tài)渦振幅值比多模態(tài)振動幅值大，而且拉索面內(nèi)振動響應(yīng)比面外振動響應(yīng)大。Denoel等[7]對一通信天線的斜拉索進(jìn)行了現(xiàn)場實測，最長索（長291.5 m，直徑42 mm）的基頻約為0.3 Hz。觀測結(jié)果表明：在大氣邊界層中，由于流動不穩(wěn)定，斜拉索的渦激振動是以隨機振動的形式出現(xiàn)的。拉索發(fā)生高階振動時面內(nèi)的加速度峰值可達(dá)0.5g，且面內(nèi)加速度比面外大的多，最長索的振動主頻為33.3 Hz。綜上可知，工程實踐中部分大橋的拉索存在渦振問題，且拉索渦振響應(yīng)較為復(fù)雜。

拉索風(fēng)致振動的控制措施主要有阻尼措施、結(jié)構(gòu)措施和氣動措施三大類。工程實踐中一般采用多種控制措施組合的方式進(jìn)行拉索振動控制。氣動措施是斜拉索風(fēng)致振動控制的一種重要措施，比如在拉索表面設(shè)置凹坑、縱向肋和螺旋肋等[8?11]。Katsuchi等[12]、Yagi等[10]的試驗結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)情況下表面凹坑拉索會發(fā)生干索馳振現(xiàn)象，而在拉索表面設(shè)置螺旋肋會明顯減小拉索旋渦脫落展向相關(guān)長度，從而有效控制拉索振動。Kleissl等[13]對圓柱渦激振動控制措施的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)綜述，表明拉索表面設(shè)置凹坑和螺旋線是兩種各具優(yōu)點的氣動控制措施。Hung等[14]針對表面光滑拉索分別設(shè)置螺旋肋、平行肋和表面凹坑時的振動響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，表面凹坑和帶平行肋拉索在無雨情況下均存在限幅振動，而特定風(fēng)偏角和螺距的螺旋肋（4，6，12根螺旋肋）可以有效抑制拉索風(fēng)雨振和干索馳振。Katsuchi等[15]進(jìn)行了不同風(fēng)偏角和螺旋肋尺寸對拉索振動影響的試驗研究。結(jié)果表明，螺旋肋在各種風(fēng)偏角下對拉索風(fēng)雨振和干索馳振均有較好的抑振效果;設(shè)置直徑為2 mm螺旋線的拉索仍然會發(fā)生較大振動，而采用直徑為5 mm螺旋線時，抑振效果明顯。Christiansen等[16]采用幾何縮尺為1∶1的斜拉索節(jié)段模型進(jìn)行螺旋肋抑振效果試驗研究。研究表明，拉索周圍的流場為層流到湍流的過渡，這種過渡在局部形成并沿著軸線傳播。在距離平衡位置40°?130°之間時，螺旋線主導(dǎo)著流場的狀態(tài)，而在平衡位置附近，拉索表面的不規(guī)則對流場影響占主導(dǎo)地位。綜上可知，表面凹坑斜拉索存在風(fēng)雨振和干索馳振的可能性，采用合適的螺旋線可有效控制拉索風(fēng)雨振和干索馳振。至于螺旋線對斜拉索渦振的影響還少有研究說明。

鑒于海洋立管與斜拉索存在較多相似之處，比如均為長徑比較大的柔性結(jié)構(gòu)，阻尼比都較低（一般為0.1%），且都處于不均勻來流中，容易發(fā)生多階、高階渦振現(xiàn)象，海洋立管渦振氣動控制措施研究成果對于斜拉索渦振氣動控制措施研究具有較好借鑒意義。Jones等[17]指出螺旋線是海洋立管渦振控制最有效的氣動措施，這緣于螺旋線干擾了海洋立管旋渦脫落的展向相關(guān)性。Trim 等[18]研究了不同類型螺旋線對海洋立管渦激振動的抑制作用，并發(fā)現(xiàn)增大螺旋線在立管上的覆蓋率可以有效抑制振動。Lubbad 等[19]進(jìn)行了圓截面螺旋線的振動抑制效果的試驗研究。結(jié)果表明：無論選取何種螺距和直徑的螺旋線，三螺旋線都可以很有效地抑制振動。Quen等[20]進(jìn)行了不同螺距和螺旋線高度對海洋立管渦振控制效果影響的試驗研究。結(jié)果表明，螺旋線螺距對海洋立管渦振控制效果的影響不大，但是螺距越大，海洋立管渦振鎖定區(qū)風(fēng)速越大;隨著螺旋線高度的增大，螺距對海洋立管渦振控制效果的影響變得明顯。Gao等[21]的試驗研究表明，螺旋線高度對海洋立管渦激振動幅值控制效果影響較螺距的影響大。綜上可知，采用螺旋線進(jìn)行海洋立管渦激振控制的應(yīng)用較為廣泛，其渦振控制效果主要取決于螺旋線高度，且三螺旋線和四螺旋線最有效。

綜上所述，工程實踐中部分大跨度斜拉橋由于阻尼器性能退化而導(dǎo)致拉索在運營期出現(xiàn)了較為明顯的風(fēng)雨振和渦激振動問題，其中關(guān)于風(fēng)雨振問題已有大量的研究成果，而拉索渦振的氣動控制措施研究則相對較少，如何有效控制拉索的渦振響應(yīng)值得進(jìn)一步研究。本文以蘇通長江公路大橋為背景進(jìn)行斜拉索渦振特征和氣動控制措施試驗研究。

1 實橋拉索振動響應(yīng)特征分析

蘇通長江公路大橋為主跨1088 m的斜拉橋，大橋共有272根斜拉索，最長索長度為，直徑為0.161 m。大橋于2008年建成通車，通車運營十多年來，部分拉索阻尼器存在性能退化問題，發(fā)生了較為明顯的風(fēng)雨振和高階振動現(xiàn)象。為了進(jìn)一步研究拉索振動特征，在大橋部分拉索（NA9U，NA18U，NA29U，NA30U及NA31U）上距離橋面約8 m高度處安裝了加速度傳感器，進(jìn)行拉索面內(nèi)、面外振動響應(yīng)短期監(jiān)測，加速度傳感器采樣頻率為。蘇通大橋風(fēng)速儀及短期監(jiān)測拉索布置如圖1所示。限于篇幅，僅介紹NA30U拉索風(fēng)致振動響應(yīng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。NA30U拉索長度為493.72 m，拉索傾角為24.93o，拉索規(guī)格為PES7?241，對應(yīng)的拉索直徑為0.14 m，拉索長徑比為3476.9，拉索單位長度質(zhì)量為78.5 kg/m，拉索1階振動頻率為0.2618 Hz。

圖2所示為2018年8月15日NA30U號拉索振動的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖2（a）?（b）可知，2018年8月15日0：00?6：00時段，跨中橋面以上2.28 m高度處風(fēng)速為8.0 m/s左右、風(fēng)向角接近垂直于橋軸線，NA30U號索發(fā)生了明顯的振動現(xiàn)象，面內(nèi)振動加速度響應(yīng)幅值接近，面外振動加速度響應(yīng)幅值接近。由圖2（c）?（d）可知，在拉索最大振動響應(yīng)時段（3：00?4：00）內(nèi)，斜拉面內(nèi)、面外振動響應(yīng)卓越頻率均為，為該索第47階振動模態(tài)。由圖2（e）?（f）可知，拉索面內(nèi)、外的大幅振動鎖定在風(fēng)速為6?10 m/s的范圍內(nèi)，且風(fēng)向角約為80o（0o為正北方向，90o為正東方向），即接近垂直于橋軸線從下游吹向上游。另外可以看出，拉索面內(nèi)加速度根方差遠(yuǎn)大于面外加速度。根據(jù)拉索振動頻率和對應(yīng)風(fēng)速范圍特征，可初步判斷該振動為拉索高階渦振。

2 拉索模型與試驗裝置

2.1 拉索模型

為了對該拉索高階振動進(jìn)行研究，在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心HD?2風(fēng)洞第一試驗段進(jìn)行拉索節(jié)段模型試驗研究，該試驗段長17 m，寬3 m，高2.5 m，試驗段風(fēng)速在0?58 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。當(dāng)風(fēng)速大于2.0 m/s時空風(fēng)洞紊流度低于0.5%，風(fēng)偏角小于0.2o。為了盡量減小斜拉索斷面雷諾數(shù)效應(yīng)的影響，試驗?zāi)Ｐ头謩e采用蘇通大橋拉索原型模型——表面凹坑拉索（模型A）和工程中常用的“表面光滑+2 mm（）線徑螺旋線”拉索（模型B），試驗拉索模型均由江蘇法爾勝纜索有限公司提供。拉索模型長度，外徑，均采用不銹鋼外包PE組成，拉索模型外形如圖3所示。試驗中拉索模型阻塞率為5.6%，加螺旋線之后的最大阻塞率為6.4%，與已有文獻(xiàn)拉索模型阻塞率大致相當(dāng)：Benidir 等[22]研究螺旋線對干索馳振的影響時拉索模型阻塞率為6.2%，劉慶寬等[23]在進(jìn)行螺旋線對高雷諾數(shù)下風(fēng)致振動的影響的試驗研究中，拉索模型阻塞率為5.45%。

2.2 試驗裝置

由蘇通大橋橋面風(fēng)速和拉索振動響應(yīng)的實測數(shù)據(jù)可知，當(dāng)橋面處風(fēng)向為垂直于橋軸線時，部分長斜拉索容易發(fā)生高階渦振現(xiàn)象，且拉索高階渦振以面內(nèi)振動為主。為此，暫不考慮風(fēng)偏角和拉索傾角的影響，進(jìn)行水平拉索橫風(fēng)向風(fēng)致振動響應(yīng)試驗研究。拉索模型兩端分別用4根彈簧支承，單根彈簧剛度為。采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針進(jìn)行風(fēng)速測試，試驗風(fēng)速范圍為，對應(yīng)雷諾數(shù)。在拉索節(jié)段模型兩端分別布置加速度傳感器和激光位移計進(jìn)行拉索橫風(fēng)向振動響應(yīng)測試，采用DH5920多通道信號采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為，采樣時間為。為減小模型端部三維繞流效應(yīng)，在模型端部設(shè)置了直徑為（即為）、厚度為的ABS圓板作為端板。彈性懸掛水平拉索節(jié)段模型如圖4所示。

考慮到實際拉索單位長度的質(zhì)量為，在進(jìn)行拉索模型試驗時拉索模型單位長度質(zhì)量取為，對應(yīng)質(zhì)量比為。關(guān)于拉索高階振動模態(tài)阻尼比的實測研究相對較少。Argentini等[24]給出荷蘭Hovenring橋拉索（長53 m，直徑50 mm）的前9階阻尼比在范圍內(nèi)。黃方林等[25]對洞庭湖大橋第11號斜拉索（長度為）的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該拉索前3階阻尼比為。Yamaguchi等[26]對幾座斜拉橋拉索阻尼比的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)拉索阻尼比較低，1階模態(tài)阻尼對數(shù)衰減率約為0.01（對應(yīng)拉索阻尼比為0.16%），且隨著拉索振動模態(tài)階數(shù)的增加其模態(tài)阻尼比有進(jìn)一步減小的趨勢，當(dāng)頻率為5 Hz左右時，拉索的模態(tài)阻尼對數(shù)衰減率約為0.002（對應(yīng)阻尼比為0.03%）。綜上可知，斜拉索高階振動模態(tài)阻尼比總體較小且缺乏足夠的實測數(shù)據(jù)。本文暫假定實橋拉索高階振動模態(tài)阻尼比為0.01%?0.05%，對應(yīng)實橋拉索的斯克拉頓數(shù)為

式中 為拉索單位長度質(zhì)量（kg/m）;為拉索阻尼比;為空氣密度（kg/m3），取。

拉索節(jié)段模型及實橋拉索參數(shù)如表1所示。考慮到蘇通大橋?qū)嶋H拉索情況和目前工程中常用的拉索情況，分別對表面凹坑拉索、表面光滑拉索+螺旋線（線徑（），3.5 mm（））進(jìn)行不同阻尼比和不同氣動措施風(fēng)洞試驗研究，具體試驗工況如表2所示。不同螺旋線規(guī)格如圖5所示，配置不同螺旋線拉索的風(fēng)洞試驗照片如圖6所示。

3 試驗結(jié)果

3.1 阻尼比的影響

圖7所示為不同阻尼比條件下表面凹坑拉索面內(nèi)振動響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線。由圖7可知，當(dāng)阻尼比，即拉索的斯克拉頓數(shù)，折減風(fēng)速（其中：為試驗來流風(fēng)速（m/s）;為彈性懸掛拉索節(jié)段模型的面內(nèi)振動頻率（Hz）），表面凹坑拉索節(jié)段模型發(fā)生了明顯渦振現(xiàn)象，最大無量綱振動響應(yīng)根方差。隨著拉索阻尼比的增加，拉索渦振鎖定區(qū)起振風(fēng)速不變，而拉索渦振鎖定區(qū)結(jié)束點風(fēng)速減小，且最大無量綱振動響應(yīng)根方差也變小。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360?01?2018）規(guī)定[27]，斜拉索渦振振幅可按下式近似計算

表3給出了拉索渦振響應(yīng)幅值的現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗及采用文獻(xiàn)推薦公式得到的計算值。實橋拉索發(fā)生的渦激振動時，對應(yīng)橋面高度處風(fēng)速區(qū)間為。由圖2可知，橋塔處的風(fēng)速較橋面風(fēng)速偏大約，則橋面風(fēng)速為6 m/s時對應(yīng)拉索跨中處來流風(fēng)速約為，即實橋拉索的無量綱起振風(fēng)速。由表3可知，拉索實測起振風(fēng)速與試驗結(jié)果接近，各試驗工況下拉索渦振振幅試驗值略小于按文獻(xiàn)[27]得到的計算值，但與按文獻(xiàn)[28]得到的計算值較接近。

圖8所示為不同阻尼比條件下表面光滑+2 mm（）螺旋線（螺距）拉索橫風(fēng)向振動響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速變化曲線。由圖8可知，當(dāng)阻尼比，即拉索斯克拉頓數(shù)時，折減風(fēng)速時，表面光滑+2 mm（0.014D）螺旋線拉索模型發(fā)生了明顯的渦振現(xiàn)象，最大無量綱振動響應(yīng)根方差。當(dāng)阻尼比，即拉索斯克拉頓數(shù)時，表面光滑+2 mm線徑（）螺旋線（螺距）拉索面內(nèi)渦振現(xiàn)象明顯減小。

3.2 小直徑螺旋線對拉索渦振控制效果

考慮到蘇通大橋設(shè)計階段曾進(jìn)行了表面凹坑拉索風(fēng)雨激振減振試驗研究，根據(jù)該研究成果可知，直徑（）、螺距、順時針纏繞的雙螺旋線可有效控制拉索風(fēng)雨振。故分別設(shè)置直徑（）和（）兩種螺旋線，螺距，在阻尼比條件下進(jìn)行拉索渦振試驗。拉索無量綱振動響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化如圖9所示。由圖9（a）?（b）可知，設(shè)置直徑（）和（）、螺距的雙螺旋線不能有效控制拉索渦振響應(yīng)，隨著螺旋線螺距的減小，拉索渦振響應(yīng)略有減小。

綜合圖8?9可知，在低阻尼比條件下（， ），設(shè)置拉索風(fēng)雨振控制常用的螺旋線不能有效控制斜拉索渦振響應(yīng)。這可能是因為表面凹坑或者小直徑螺旋線的存在并沒有很大程度地改變拉索尾流旋渦的強度和展向相關(guān)性。

3.3 大直徑螺旋線對拉索渦振控制效果

為了進(jìn)一步研究控制拉索渦振的氣動控制措施，首先進(jìn)行了直徑（）、螺距的單螺旋、雙螺旋和三螺旋線對拉索渦振控制效果試驗研究，拉索無量綱位移根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（a）所示。由圖10（a）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑（）、螺距的單螺旋線，且阻尼比時，當(dāng)折減風(fēng)速時出現(xiàn)了明顯的渦振現(xiàn)象，風(fēng)速鎖定區(qū)間較不設(shè)置單螺旋線時整體增大，最大無量綱振動響應(yīng)根方差（，較不設(shè)置單螺旋線拉索最大無量綱振動響應(yīng)根方差減小13.8%。表明設(shè)置直徑（）、螺距的單螺旋線無法有效控制拉索渦振響應(yīng)。由圖10（a）可知，表面凹坑拉索在設(shè)置直徑為（）、螺距為的雙、三螺旋線后，拉索渦振響應(yīng)得到明顯的抑制。該試驗結(jié)果與Lubbad等 [19]的研究結(jié)論一致，即采用單螺旋線時，不管采用何種螺距和線徑，其對渦激振動無量綱振幅的影響都很小。主要原因是：單螺旋線不足以在整個圓柱上產(chǎn)生三維流動，但卻可以允許圓柱的各個位置上存在二維旋渦的脫落從而引起渦振。

考慮到螺旋線直徑太大對拉索阻力系數(shù)可能產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)一步對直徑（）、螺距的雙、三螺旋線拉索渦振控制效果進(jìn)行試驗研究，拉索無量綱振動響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（b）所示。由圖10（b）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑為（）、螺距的雙、三螺旋線，且阻尼比時，當(dāng)折減風(fēng)速和時出現(xiàn)小幅渦激共振現(xiàn)象，最大無量綱振動位移根方差和;表面凹坑拉索在設(shè)置直徑、螺距的雙、三螺旋線后，拉索渦激共振現(xiàn)象得到一定的抑制，但并未完全消失，且三螺旋線的控制效果較雙螺線控制效果略差。

考慮到Jones等[17]對海洋立管渦激振動的研究成果，即海洋立管渦振控制的螺旋線最優(yōu)參數(shù)為螺旋線徑、螺距三螺旋或四螺旋線。進(jìn)一步對直徑（）、螺距的螺旋線控制效果進(jìn)行試驗研究。拉索無量綱振動響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（c）所示。由圖10（c）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線，且阻尼比為時，當(dāng)折減風(fēng)速和時出現(xiàn)了一個小幅的渦激共振現(xiàn)象，最大無量綱振動位移根方差和。表明采用直徑（）、螺距的雙、三螺旋線均可以有效控制拉索渦振響應(yīng)，雖然控制效果較（），的雙、三螺旋線控制效果略差，但直徑較小對降低拉索的風(fēng)荷載是有益的。

4 拉索節(jié)段模型測力試驗

4.1 試驗裝置和工況

為了進(jìn)一步分析螺旋線對拉索渦振響應(yīng)控制的機理，并對拉索設(shè)置螺旋線后的風(fēng)荷載系數(shù)進(jìn)行評估，對設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線的拉索進(jìn)行測力試驗研究。拉索氣動力系數(shù)采用六分量天平進(jìn)行測試，如圖11（a）所示，X，Z力分量量程為200 N，Y力分量量程為300?400 N，測試精度<0.5%。在試驗前對桿式天平進(jìn)行標(biāo)定，試驗來流風(fēng)速為，采樣頻率為，采樣時間為。安裝在風(fēng)洞中的拉索測力試驗?zāi)Ｐ驼掌鐖D11（b）所示。

作用在拉索斷面上的氣動力可用體軸系中的豎向氣動力和橫向氣動力來表示，也可以用風(fēng)軸系中的氣動阻力和氣動升力來表示。

體軸系下的升阻力系數(shù)定義如下所示：

對于設(shè)置螺旋線的拉索需要考慮風(fēng)向角影響，風(fēng)向角定義以拉索模型頂端斷面為參考標(biāo)準(zhǔn)，拉索風(fēng)向角的定義如圖12所示，風(fēng)向角以逆時針為正。圖12中風(fēng)沿水平方向吹時對應(yīng)風(fēng)向角。雙螺旋線拉索風(fēng)向角試驗范圍為，間隔為;三螺旋線拉索風(fēng)向角試驗范圍為，間隔為。拉索風(fēng)軸系力系數(shù)與體軸系力系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

4.2 試驗結(jié)果

不同風(fēng)向角條件下各拉索風(fēng)軸下阻力系數(shù)、升力系數(shù)平均值隨風(fēng)向角的變化規(guī)律如圖13?14所示。由圖13可知，表面凹坑拉索阻力系數(shù)均值;設(shè)置直徑（）、螺距雙螺旋線時，當(dāng)風(fēng)向角時阻力系數(shù)均值最小，即。當(dāng)風(fēng)向角時阻力系數(shù)均值最大，即，即設(shè)置雙螺旋線后拉索阻力系數(shù)均值較表面凹坑拉索阻力系數(shù)均值增加約為30.8%?48.0%。設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時，當(dāng)風(fēng)向角時阻力系數(shù)均值最小，即;風(fēng)向角時，阻力系數(shù)均值最大，即，即設(shè)置三螺旋線后拉索的阻力系數(shù)均值較表面凹坑拉索的阻力系數(shù)均值增加約。

由圖14可知，表面凹坑拉索升力系數(shù)均值，設(shè)置直徑（）、螺距雙、三螺旋線時拉索升力系數(shù)均值隨風(fēng)向角變化而略有變化。當(dāng)風(fēng)向角時，設(shè)置雙螺旋線的拉索升力系數(shù)均值最小，即;當(dāng)風(fēng)向角時，設(shè)置三螺旋線的拉索升力系數(shù)均值最小，即。

不同風(fēng)向角條件下各拉索體軸下水平力系數(shù)和豎向力系數(shù)根方差值隨風(fēng)向角的變化規(guī)律如圖15?16所示。由圖15可知，表面凹坑拉索水平力系數(shù)根方差;設(shè)置直徑、螺距為雙螺旋線時，拉索水平力系數(shù)根方差范圍;設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時，拉索水平力系數(shù)根方差范圍。

由圖16可知，表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差;設(shè)置直徑（）、螺距雙螺旋線時，拉索豎向力系數(shù)根方差范圍;設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時拉索豎向力系數(shù)根方差范圍。結(jié)果表明，設(shè)置直徑（）、螺距為雙、三螺旋線可有效降低表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差，較表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差分別降低和。

結(jié)合圖16和圖10（c）可知，拉索設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線時拉索的豎向力系數(shù)根方差接近且均顯著小于原拉索的豎向力系數(shù)根方差，導(dǎo)致兩者拉索渦振振幅接近且顯著小于原拉索的渦振振幅。具體原因為，設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線時，拉索尾流中旋渦脫落的展向相關(guān)性減弱，表現(xiàn)為靜止拉索豎向力系數(shù)根方差明顯減小，導(dǎo)致作用在拉索上的周期性橫風(fēng)向力幅值減小，從而達(dá)到控制拉索渦振響應(yīng)的效果。

5 結(jié) 論

以蘇通大橋為依托，采用現(xiàn)場實測和風(fēng)洞試驗方法對大跨度斜拉橋拉索風(fēng)致振動響應(yīng)特征和氣動控制措施進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）現(xiàn)場實測表明，在無雨情況下，當(dāng)橋位風(fēng)近似垂直于橋軸線、橋面高度處風(fēng)速為時，NA30U拉索發(fā)生了高階渦振現(xiàn)象，拉索面內(nèi)、外振動加速度響應(yīng)最大幅值分別達(dá)，。

（2）低阻尼比條件下（，），表面凹坑拉索、表面光滑+小直徑（，）螺旋線拉索在折減風(fēng)速時均存在明顯的渦振現(xiàn)象;增加阻尼比可有效降低拉索渦振響應(yīng)幅值。

（3）采用通常用于控制拉索風(fēng)雨振的線徑和的雙螺旋線時不能有效抑制拉索渦振;而設(shè)置線徑、螺距的雙、三螺旋線可有效控制拉索渦振響應(yīng)。主要原因是小直徑螺旋線不足以改變拉索尾流區(qū)較強的旋渦強度和展向相關(guān)性，當(dāng)螺旋線直徑較大時會減弱拉索尾流區(qū)旋渦強度和展向相關(guān)性，從而實現(xiàn)拉索渦振響應(yīng)控制。

（4）設(shè)置直徑、螺距的雙、三螺旋線的表面凹坑拉索阻力系數(shù)較不設(shè)置螺旋線時表面凹坑拉索的阻力系數(shù)分別增加30.8%?48.0%和，對應(yīng)的拉索豎向力系數(shù)根方差較不設(shè)置時拉索的豎向力系數(shù)根方差降低了，表明設(shè)置該參數(shù)螺旋線可顯著減小拉索橫風(fēng)向氣動力幅值，從而有效抑制拉索渦振響應(yīng)振幅。

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作者簡介： 劉志文（1975?），男，副教授。電話：13975880715;E-mail： zhiwenliu@hnu.edu.cn