覆冰斜拉索尾流馳振研究現狀與不足

(武漢理工大學土木工程與建筑學院 湖北 武漢 430070)

風經過位于上游的圓柱后，在一定范圍內，其尾流會激發位于下游的圓柱，導致下游圓柱的振動振幅不斷加大至在某一幅值下穩定振動，即尾流馳振。在濕冷環境下，斜拉索表面有冰附著后，更容易發生馳振。

一、覆冰機理

在寒冷的天氣中，冷空氣與暖空氣發生碰撞，暖濕空氣中的水分會變成固態冰晶或液態的過冷卻水滴。小型過冷卻水滴在下落過程中不易與塵埃等結合，故當掉落在較低溫度結構物表面時，迅速地從中吸收能量，改變了水滴不穩定的狀態，凝結成冰附著于結構物表面。經觀測發現，覆冰現象常出現在輸電導線上，也會出現在橋梁拉索上[1]。現行拉索的覆冰類型多借鑒輸電導線，包括：新月形、D形、扇形等。

二、馳振機理

結構發生馳振失穩的理論主要有三種，即橫風向馳振理論、扭轉馳振理論和慣性耦合失穩理論。現行研究中多用橫風向馳振理論，根據Den Hartog理論[2]，當結構形成氣動負阻尼時，從外界吸收能量，振動幅度不斷增大后達到穩定。

三、研究方法

對于橋梁的抗風研究，主要的方法有：現場實測、風洞試驗、數值模擬。

現場實測是最直接、最準確的方法，但需要耗費大量人力、財力，不具良好經濟性；風洞試驗較接近實際，效率高、成本低，但也存在一定局限性；數值模擬因其不需要實體模型，節省人力物力，如今計算機技術的成熟使其能夠模擬很多復雜的流體問題，是較好的選擇。

四、研究現狀

斜拉索是斜拉橋的最主要的受力構件之一，隨著發展變得越來越長，其安全問題受到重視，國內外學者開始研究斜拉索的氣動力特性。

(一)關于光滑斜拉單索馳振現象的研究

溫曉光[3]用數值模擬方法對三維斜拉索干索進行繞流模擬，得到其氣動力特性并進行馳振分析。

(二)關于覆冰斜拉單索馳振現象的研究

國內外學者用風洞試驗及數值模擬方法對不同情況下的覆冰斜拉單索的馳振特性進行研究。Demartino[4]使用風洞試驗對覆冰拉索進行氣動力特性研究。黃貽鳳等[5]用數值模擬方法分析了覆冰類型及覆冰尺寸對拉索馳振特性的影響。李壽英等[6,7]運用風洞試驗及數值模擬方法，分析不同類型覆冰斜拉索的氣動力系數及馳振特性，證明其可能發生馳振，還研究了覆冰物的長度對引起拉索馳振的臨界風速的影響。譚冬梅等[8-10]對覆冰斜拉索進行三維數值模擬，分析覆冰類型、風攻角、風速等因素對覆冰斜拉索馳振的影響。

(三)關于斜拉索尾流馳振現象的研究

近些年來，不少學者對并列拉索的尾流馳振現象開展了研究。Tanaka[11]對不同間距的并列拉索進行尾流馳振研究，指出尾流馳振在近距區域和遠距區域內均有可能發生。陳志華等[12]對認為斜拉橋的拉索間距為1.5D～6D時較易發生尾流馳振。李永樂[13]對斜拉橋遠距失穩區并列雙索進行風洞試驗，研究了拉索間距、風攻角等對拉索的影響。馬如進等[14]采用數值風洞，模擬風荷載作用于中間索面斜拉橋中兩索面上并列的兩根斜拉索，并研究了尾流馳振的特點，分析了不同風攻角下的氣動力特性。譚冬梅等[15]研究了拉索間距對雙索尾流馳振的影響。

總的來說，針對覆冰斜拉索尾流馳振的研究還比較少，現有的研究多集中于研究覆冰形狀、風速、風攻角、拉索間距等因素對尾流馳振的影響。

五、現有研究的不足

(一)覆冰類型的選擇

現有研究中拉索的覆冰類型多是借鑒輸電導線，但拉索與輸電導線存在較大差異，應進一步研究拉索的覆冰類型，使其更符合實際情況。

(二)數值模擬方法

現有研究中多選用二維數值模擬，斜拉索的繞流具有三維性，三維數值模擬計算單元數量多，耗費時間，需對數值模擬方法進一步優化，選擇具有效率和精準的數值模擬方法。

(三)研究對象的選擇

現有研究多選擇并列的平行雙索進行尾流馳振分析，可考慮同一索面上不平行的雙索以及群索的尾流馳振現象研究。