滑移理論在斜拉索風雨激振兩自由度模型研究中的應用

摘要： 考慮斜拉索順風向振動的影響，基于滑移理論建立斜拉索風雨激振兩自由度模型。借助計算流體力學軟件Fluent求解水膜運動方程中的風壓力系數(shù)和風摩擦力系數(shù)。通過數(shù)值求解耦合的水膜運動方程和拉索振動方程，分別研究風雨激振過程中拉索表面水膜形態(tài)變化（水線運動）特性、拉索氣動升力和阻力變化規(guī)律以及拉索橫風向與順風向振動響應。在此基礎(chǔ)上，分析三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示風雨激振的產(chǎn)生機理，即：水線在斜拉索表面的周期性振蕩導致拉索升力和阻力的周期性變化，從而引起拉索橫風向和順風向的大幅度振動，而斜拉索在兩個方向的周期性振動反過來又會加強水線的周期性振蕩；水線與斜拉索間的共振是產(chǎn)生風雨激振現(xiàn)象的主要原因。關(guān)鍵詞： 斜拉索； 風雨激振； 滑移理論； 水線

中圖分類號：U443.38； TU441+.2文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2016）04073709000105

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.022

引言

風雨激振現(xiàn)象是指斜拉橋的拉索在一定風雨條件下的低頻和大幅度振動[1]，會引發(fā)斜拉索的疲勞破壞，降低其使用壽命。為揭示這一現(xiàn)象的產(chǎn)生機理，國內(nèi)外諸多學者進行了一系列的現(xiàn)場觀測和風洞試驗研究，發(fā)現(xiàn)水線在斜拉索表面上的形成與振蕩是風雨激振現(xiàn)象的特有標志和重要影響因素[27]。針對這一重要特征，Lemaitre等人應用滑移理論，通過用風壓力和風摩擦力表示氣流作用的方式建立二維理論模型，研究水平靜止拉索表面上的水膜形態(tài)變化，模擬水線的形成，并通過人工降雨風洞試驗驗證了這一模型的合理性[8]。Taylor和Robertson對Lemaitre的模型進行改進，將原模型中的固定風壓力系數(shù)和風摩擦系數(shù)替換為由數(shù)值求解得到的隨時間變化的風壓力系數(shù)和風摩擦系數(shù)，得到了水平靜止的斜拉索表面水膜形態(tài)隨時間變化規(guī)律[9]。畢繼紅等人則將滑移理論與單質(zhì)點單自由度振動理論相結(jié)合，通過建立耦合的水膜運動方程和斜拉索振動方程，提出了能夠模擬水線形成及運動的氣、液、固三相耦合二維斷面模型[10]。

Ni等人通過現(xiàn)場觀測研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)生風雨激振現(xiàn)象時斜拉索在橫風向和順風向均會出現(xiàn)大幅度振動[2]；而現(xiàn)階段基于滑移理論建立的風雨激振理論模型僅考慮了拉索橫風向振動與水線振蕩間的耦合，沒有考慮順風向振動的影響。為此，本文基于已有的單自由度滑移理論模型，在水膜運動方程中考慮斜拉索橫風向及順風向振動加速度的影響，并與單質(zhì)點兩自由度振動方程相耦合，建立能夠反映風雨激振過程中斜拉索橫風向和順風向振動及水膜形態(tài)變化的理論模型。在此基礎(chǔ)上分析斜拉索橫風向、順風向振動與水膜形態(tài)變化（水線運動）之間的關(guān)系，并與已有的單自由度模型研究結(jié)果進行比對，探討風雨激振的產(chǎn)生機理。

Abstract： Considering the effects of alongwind vibration of cable， 2DOF model of rainwind induced vibration （RWIV） of stay cable is presented based on lubrication theory in this paper. Wind pressure and friction coefficients in water film evolution equation are obtained by computational fluid dynamics （CFD） softwareFluent. The characteristics of water film evolution （movements of rivulets）， aerodynamic lift and drag， acrosswind and alongwind vibrations of cable are respectively investigated by numerical solving the coupled equations of water film evolution and cable vibrations. On this basis， the mechanism of RWIV is revealed by discussing their relationships as follows：cable lift and drag oscillate periodically due to the periodical oscilations of rivulets in circumferential direction， which cause the large amplitude vibrations of cable in acrosswind and alongwind directions； and conversely， the periodical vibrations of cable strengthen the periodicity of rivulets oscilations. So the resonance between rivulets and cable causes RWIV.

Key words： stay cable； rainwind induced vibration； lubrication theory； rivulet