大跨懸索橋高阻尼抗風(fēng)纜構(gòu)思

孟 強(qiáng) 唐亞周 涂保林

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著懸索橋跨徑的增加，加勁梁側(cè)向剛度不斷減小，風(fēng)對(duì)橋梁的作用效果越加明顯。懸索橋抗風(fēng)問(wèn)題不得不著重考慮。懸索橋承受風(fēng)力構(gòu)件主要為主塔、主纜、吊桿及加勁梁。可以改變主塔的截面形式減少風(fēng)對(duì)塔的作用。目前并沒(méi)有很好的辦法控制主纜的擺動(dòng)，而主纜的擺動(dòng)又會(huì)引起加勁梁的振動(dòng)，使行車不平穩(wěn)。吊桿在兩端承受很大拉力，在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)頻率[1]。在吊桿上設(shè)置阻尼器可以減小吊桿的振動(dòng)頻率。由于加勁梁側(cè)向剛度較小，在風(fēng)荷載作用下會(huì)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)。為了提高加勁梁的顫振的臨界風(fēng)速，常用的方法是用鋼絲繩抗風(fēng)纜固定加勁梁，改變加勁梁的截面形式，內(nèi)部安裝阻尼器等。而本文提出了一種非常巧妙的高阻尼抗風(fēng)纜，可以大大提高懸索橋抗風(fēng)性能。

1 高阻尼抗風(fēng)纜初步構(gòu)思

高阻尼抗風(fēng)纜具體布置：在每根吊桿位置布設(shè)橡膠繩，錨固于主纜之上，沿著吊桿穿過(guò)加勁梁，吊桿上每隔一定距離設(shè)置聯(lián)接器，使吊桿與橡膠繩聯(lián)結(jié)起來(lái)。橡膠繩端部設(shè)置扣環(huán)，在梁底將兩側(cè)的橡膠繩分別掛扣在一根通長(zhǎng)鋼絲繩上，給予鋼絲繩一定的初始張拉力，錨固于兩岸。

本文構(gòu)思的高阻尼抗風(fēng)纜與傳統(tǒng)的抗風(fēng)纜有兩點(diǎn)不同：材料不同，布置方式不同。從材料分析，90%左右的抗風(fēng)纜采用鋼絲繩。這種抗風(fēng)纜的缺點(diǎn)在于，作用在結(jié)構(gòu)上的能量無(wú)法被快速消耗，使加勁梁局部產(chǎn)生過(guò)大的集中應(yīng)力，加勁梁易產(chǎn)生疲勞損傷。從布置方式上分析，傳統(tǒng)的抗風(fēng)纜僅僅控制了加勁梁的振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，而吊桿的振動(dòng)需要采用其他辦法加以限制，并無(wú)法控制主纜的擺動(dòng)。若用鋼絲繩拉住主纜，錨固于主塔底部，主纜將會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，改變主纜的線型，同時(shí)會(huì)引起鋼絲繩與吊桿相互碰撞等問(wèn)題[2]。

2 高阻尼抗風(fēng)纜的優(yōu)越性

高阻尼抗風(fēng)纜繼承了傳統(tǒng)抗風(fēng)纜的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)。從能量消耗的角度設(shè)置抗風(fēng)纜，整體上提高懸索橋的抗風(fēng)性能。通過(guò)兩側(cè)對(duì)稱張拉加勁梁，控制加勁梁的位置。主纜擺動(dòng)過(guò)程必然會(huì)引起橡膠繩的伸長(zhǎng)與收縮，橡膠繩內(nèi)部產(chǎn)生的力在水平方向的分量與主纜運(yùn)動(dòng)方向相反，來(lái)回往復(fù)的過(guò)程中將能量消耗掉，使主纜趨于平穩(wěn)。橡膠繩內(nèi)部產(chǎn)生的力較小，并不會(huì)改變主纜的線型，類似蹦極原理。由于吊桿與橡膠繩聯(lián)結(jié)在一起，吊桿的振動(dòng)會(huì)傳遞到橡膠繩上，能量迅速被消耗。這就使吊桿無(wú)法產(chǎn)生高頻振動(dòng)，提高了吊桿的耐久性。由于橡膠繩整根穿過(guò)加勁梁，加勁梁在扭轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)引起橡膠繩的伸長(zhǎng)，橡膠繩伸長(zhǎng)后會(huì)在加勁梁上作用反向扭矩，在這個(gè)過(guò)程中能量被消耗，使加勁梁能夠快速回到原來(lái)穩(wěn)定的位置。高阻尼抗風(fēng)纜降低了風(fēng)對(duì)懸索橋各構(gòu)件的作用，提高橋梁的耐久性，同時(shí)會(huì)使行車更加平穩(wěn)。抗風(fēng)纜的布置方式與懸索橋結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，并不會(huì)產(chǎn)生不美觀效果。

3 高阻尼抗風(fēng)纜的優(yōu)化方案

3.1 橡膠繩的更換措施改進(jìn)

橡膠繩長(zhǎng)時(shí)間工作必然會(huì)出現(xiàn)老化問(wèn)題，由于橡膠繩錨固于主纜之上，更換橡膠繩成為困難。本人提出一些改進(jìn)措施，橡膠繩與主纜錨固端改用鋼絲繩，改變鋼絲繩的長(zhǎng)度，降低錨固高度。橡膠繩兩端設(shè)置掛扣，通過(guò)扣環(huán)連接橡膠繩，對(duì)以后抗風(fēng)纜的更換提供方便。

3.2 提高高阻尼抗風(fēng)纜承載力改進(jìn)

加勁梁顫振的臨界風(fēng)速主要通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的阻尼和剛度，而柔性抗風(fēng)纜主要通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼，部分提高結(jié)構(gòu)剛度來(lái)提高懸索橋的抗風(fēng)能力。橡膠的彈性模量相對(duì)較低，可能會(huì)出現(xiàn)承載力不足或者位移過(guò)大的情況。針對(duì)上述問(wèn)題本人對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，可以將高阻尼抗風(fēng)纜中橡膠繩全部更換為鋼絲繩，在兩岸的錨固端設(shè)置液壓阻尼器，消耗能量。也可以在加勁梁內(nèi)部設(shè)置橡膠阻尼器，將鋼絲繩連接于橡膠阻尼器兩端。這樣既可以保證抗風(fēng)纜有足夠承載力，又可以通過(guò)阻尼器消耗能量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在懸索橋抗風(fēng)領(lǐng)域提出了一個(gè)新的構(gòu)思。一根抗風(fēng)纜既約束了主纜的擺動(dòng)，吊桿的振動(dòng)，又控制了加勁梁的扭轉(zhuǎn)，不影響橋梁的美觀性，構(gòu)思非常之巧妙。在傳統(tǒng)的抗風(fēng)纜基礎(chǔ)上進(jìn)行了一次突破，高阻尼抗風(fēng)纜將是未來(lái)抗風(fēng)纜研究的一種趨勢(shì)。希望此文能引起同行業(yè)者的重視，將中國(guó)懸索橋抗風(fēng)技術(shù)走向世界。

[1] 項(xiàng)海帆,葛耀君.懸索橋跨徑的空氣動(dòng)力極限[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(1)：76-78.

[2] 魏志剛,葛耀君,楊詠昕.抗風(fēng)纜對(duì)大跨懸索橋顫振控制的有效性研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(12):1628-1632.