斜拉橋拉索風雨激振問題研究

(重慶交通大學 土木工程學院　重慶　400074)

一、引言

因斜拉橋跨越能力大，受力性能良好，在過去幾個世紀乃至到如今應用都非常廣泛。中國是橋梁大國，在社會主義現代化建設的過程中，建設了很多大型橋梁。其中有些橋更是因為首創第一在國際上享有贊譽，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。可見，我國在斜拉橋方面的建設技術已經相當成熟。斜拉橋中作為主要承重構件的斜拉索起到了關鍵作用，其柔度較大、阻尼較低，質量又較輕，對風的敏感度極高，尤其是大跨徑斜拉橋的拉索構件，極易在風和雨的激勵下產生明顯的風雨激振現象[1-4]，有些橋梁甚至在風雨激振的作用下發生破壞。風雨激振現象是由Hikami等[5]最先發現的，隨著經濟的高速發展，世界各地許多大跨徑斜拉橋的建設如火如荼，斜拉索在風雨作用下發生這種低頻大幅振動[6-8]的可能性更大，對橋梁造成的破壞更大，對人民的生命財產造成了更大的危險。相較于渦激振動、參數共振、內共振和尾流馳振等類型[9]，風雨激振所引發的振幅最大，進而會產生一系列問題：斜拉索應力疲勞損傷、拉鎖錨固區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，斜拉索的振動誘發機理的復雜性使得高精度模型建立的難度大，對各種研究方法的準確性提出了考驗，因此，探究斜拉索風雨激振的機理并尋求更優化的研究方式是十分重要的，通過對該現象的模擬并找出有效的減振方法將具有重要的意義。

二、拉索風雨激振研究方法

根據各種致振機理的不斷發展，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。風雨激振是拉索在風和雨的協同作用下發生的大幅低頻振動現象，是一種由拉索、風和雨三者相互進項干擾的三維空間中的結果，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，使得研究致振機理的進程緩慢。關于致振機理大致有：水線馳振機理、軸向流致振機理、彎扭兩自由度耦合致振機理和雷諾數影響致振機理等，為完善致振機理，尋求更為準確的模型，當前主要采用現場觀測、風洞試驗、數值模擬和理論分析方法進行研究。

(一)數值模擬。數值模擬也叫計算機模擬，顧名思義，就是通過當下流行的計算機，通過結構分析有限元，解決現實生活中難以解決的問題。數值模擬運用于斜拉橋，使得可以對風雨激振進行更準確的求解。特別是繼Appleyyard J R和Cheshire I.M發表了嵌套因式分解法，VIP推出并行算法，CFD技術的采用對定量進行屬性不確定性分析。這樣的研究方式減少了外界對計算結果的影響，可以有效彌補風洞試驗的不足，通過Fluent軟件進行計算流體力學模擬和大渦模擬等，得到了拉索氣動力及斜拉索振動響應。對氣動力進行科學分析、對比，將更有利于揭示斜拉索風雨激振的機理。

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

三、拉索風雨激振減振、抑振措施

拉索風雨激振在橋梁設計階段比較難以考慮，使得很多橋梁在建成之后會出現各種振動現象，因此不得不采取相關措施對其進行減振、抑振控制。目前，控制斜拉索風雨激振的措施主要有三種：氣動減振措施、機械阻尼減振措施、結構減振措施。最近，CFRP斜拉索的研究也不斷推進，由于其出色的性能，從材料本身出發，對風雨激振控制將是十分有效的。

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

(二)機械阻尼減振措施。固體振動時，使固體振動的能量盡可能多地耗散在阻尼層中的方法，稱為阻尼減振。機械阻尼減振措施是通過安裝機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幅度。該方式在很多斜拉橋上都能見到，主要有被動式控制、主動式控制和半主動控制三類，不同的方式有各自的優點。它們特點不同，有各自的優缺點，作用都是利用阻尼可使沿結構傳遞的振動能量衰減，還可以減弱共振頻率附近的振動的原理。在大跨徑橋梁中內置式和外置式阻尼器可以協同作用對減振效果進行優化。

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