斜拉橋拉索風雨激振問題綜述*

張喜娥 鐘振宇

1 拉索風雨激振研究概述

拉索是斜拉橋的關鍵構件,考慮到拉索的柔性、相對較小的質量及較低的阻尼,在風雨作用下發生的所謂拉索風雨激振現象,往往引起拉索的大幅度振動,嚴重影響橋梁的安全運營和拉索的使用壽命,它是目前已知的拉索振動形式中最強烈的一種,因此,風雨激振的機理與減振措施研究已經成為大跨度斜拉橋需要解決的關鍵問題之一。

20世紀80年代日本名港西大橋施工過程中出現了風雨激振并開始引起研究人員的注意。因此為了研究風雨激振機理,各國學者對其進行了大量的研究,但風雨激振是一種固、液、氣三態耦合的復雜現象,其形成機理仍沒有定論。風雨激振的研究手段主要有現場觀測、風洞試驗和理論分析[1]。

現場觀測是最早用于研究風雨激振的手段。它可獲得拉索風雨激振最準確的特征,可為驗證風洞試驗和理論分析研究結果的真實性、可靠性提供寶貴的資料。目前國內外最為經典的兩個實例為Hikami等對日本名港西大橋的實測和陳政清等對洞庭湖大橋的實測。

拉索風雨激振現象機理非常復雜,受各種因素影響,例如:拉索傾角、來流風速、來流方向、來流紊流度、拉索振動頻率等。現場實測雖然能獲得拉索風雨激振最真實的特征,但無法對各種影響因素進行參數分析[1]。為系統研究風雨激振的機理,仍需要進行風洞試驗。風洞試驗可以重現風雨激振的一些基本特征,還可以研究振動控制措施的有效性。目前,研究風雨激振的風洞試驗一般為兩種類型:人工降雨試驗和人工水線試驗[3]。

與現場實測和風洞試驗相比,理論分析的研究開展較晚。這是因為拉索風雨激振現象是一個固、液、氣三相耦合系統,建立其運動微分方程非常困難。最早的理論分析文獻為1990年Yamaguchi建立的彎扭耦合量自由度馳振模型,之后在20世紀90年代基本無進展。進入21世紀以來,理論分析逐漸成為拉索風雨激振問題的重要手段之一。

至今為止,拉索風雨激振的機理雖然尚未完全澄清,但研究者對斜拉索風雨激振現象的條件和振動得到一些基本共識:

1)風雨激振發生時的風速一般為6 m/s～8 m/s,更大或更小的風速都不易引起激振,振動多發生在紊流度小的風環境下。

2)雨是拉索發生風雨激振的必要條件,一般發生在雨量為小到中雨的天氣。

3)沿風向向下傾斜的拉索更易發生風雨激振。

4)振動多發生在聚乙烯(PE)包裹的光滑表面拉索上,拉索直徑一般為120mm～200mm,拉索表面材料性質,灰塵等對振動有重要的影響。

5)振動主要發生在拉索平面內,但也存在一個面外振動的分量,最大振幅可達100cm。

6)振動頻率主要發生在0.6Hz～3Hz,進入或退出風雨激振狀態時常有振型轉換現象。

7)當風雨激振發生時,拉索的上下表面各有一條雨水形成的水線,沿傾斜的拉索向下流動。水線隨著拉索的振動的拉索表面振蕩,下水線對拉索風雨激振的影響不大[1]。

2 拉索風雨激振的控制

橋梁結構對風的反應非常復雜,除了由于風的作用和橋梁結構動態特性本身的復雜性外,還由于風和結構物的相互干涉作用。近年來,由于橋梁結構的日益長大、輕柔、低阻尼化,長大橋梁以及某些跨度雖不甚大的橋梁結構或其構件由風引起的振動必須被認真考慮的情況愈來愈多[7]。在設計階段,就應研究由風引起振動的可能性,并有必要通過事前研究確定各種相應對策。但是使抗風設計完全滲透于結構設計之中是很困難的,因此,在結構施工和建成之后會產生不少風致振動問題,處理這些問題就不得不在受到種種條件制約的情況下進行。

控制拉索風雨激振目前有三種措施:空氣動力學措施,結構措施與機械阻尼措施。

1)結構措施,是通過增加結構的總剛度,改變結構動力特性,提高橋梁靜、動力穩定性的措施。目前已證明有效的結構措施主要是輔助索方法。即通過各拉索之間用一根或多根輔助索連接起來,形成一個索網。但是這種方法的缺點是:破壞了原有索面的景觀;輔助索設計復雜;安裝困難。2)空氣動力學措施,以改善橋梁結構的氣流特性從而減小激振外力的輸入為目的。氣動措施是通過選擇空氣動力穩定性好的斷面或在橋梁的梁、塔等結構元素的斷面形狀由于種種要求將非常復雜;往往不能充分滿足抗風要求時,附加某些裝置以減小氣動力,從而減小橋梁結構風致振動反應的措施。將PE護套外表面制成縱向肋條,纏繞螺旋線或壓制一些凹坑,能起到抑制風雨激振的作用。3)機械阻尼措施,以減小橋梁結構整體或部分構件的振動輸出為目的。以上兩種措施不能截然分開,尤其是在振動反應輸出反饋影響到空氣力輸入的,具有強烈自激特性的結構中,這兩種措施的相互影響更加密切。由于種種條件的制約,在實際應用中,不可能僅僅通過氣動措施解決風致振動問題,時常需要采用機械措施。拉索易于振動的主要原因是拉索具有非常低的固有結構阻尼,因此增加拉索阻尼是控制拉索風雨激振最直接、有效的方法。但是研究表明,拉索的橫向振動只引起很低的應變,而采用高阻尼材料增加拉索結構阻尼的方法是非常困難的,因此在拉索和橋面之間安裝阻尼器是目前機械措施中采用最為廣泛的一種方法[3]。

3 結語

目前,國際上主要采用現場實測、風洞試驗和理論分析等方法對這一問題進行了研究。現場實測可獲得最準確的特征,為進一步研究提供基礎,但這一方法涉及的人為之外因素多,實現比較困難,且不能分離各因素的作用,不適于研究機理;風洞試驗易于實現,特別是可采用多種試驗手段,還可較方便的分別研究各因素的作用,非常適合機理研究,是目前應用最多的方法。但是,因為風洞試驗和實際橋梁的情況也不一樣,數值理論模擬分析它可以比較準確地模擬大氣邊界中風流動情況,不像風洞實驗那樣由于實驗模型縮尺帶來相似準則的問題,如大雷諾數流動。數值模擬可以模擬各種風速和地貌情況下,風對結構表面產生的壓力場和結構周圍流場等情況。因此,從發展趨勢來看,今后理論分析應該成為風雨激振研究的重要手段之一,但目前對于理論分析存在很多問題,有很多方面還有待加強。

1)目前風雨激振理論分析都是基于二維模型基礎上。但是,應該說風雨激振完全是一個三維問題,因此,應該考慮拉索三維效應的影響,建立合適的三維模型。

2)數值計算方法局限,目前數值計算方法都是以Navier-Stokes方程為基礎,方程過于復雜,是非線性微分方程組。一般而言,所有的數理方程反映了系統各種參量之間一種復雜的邏輯關系,這種關系可以為我們解決其中的一些問題提供很大的幫助,有一部分可以直接得到解析解。但絕大多數不但沒有解析解,而且數值解的理論發展的也不完善,一個特定的微分方程就需要建立一整套數學理論。這對于氣、液、固三相耦合的處理比較困難,因此,對于數值計算方法的改進也是有待提高的一個問題。

[1] 曹 宏.磁流變阻尼器在拉索減振中的應用研究[D].長沙:湖南大學碩士論文,2006:4.

[2] 顧 明,呂 強.斜拉橋拉索風雨激振理論分析的一個新方法[J].土木工程學報,2002,36(6):47-52.

[3] 陳政清.橋梁風工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] MATSUMOTO M,SHIRATO H,YAGI T,et al.Field Observation of the Full-Scale Wind-Induced Cable Vibration[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91(1):13-26.

[5] 顧 明,劉慈軍,林志新,等.斜拉橋拉索的風(雨)振動及控制[J].上海力學,1998,19(4):281-287.

[6] Hikami Y,Shiraishi N.Rain-wind induced vibrations of cables in cable stayed bridges[J].J of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1988(29):409-418.

[7] 王修勇,陳政清,倪一清,等.斜拉橋拉索磁流變阻尼器減振技術研究[J].中國公路學報,2003,16(2):52-56.