螺旋線對斜拉橋斜拉索橫風向氣動力和穩定性的影響

劉慶寬， 王曉江， 盧照亮， 胡 波， 馬文勇

(1. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043； 2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，石家莊 050043； 3. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043； 4. 石家莊鐵道大學 工程力學系，石家莊 050043)

斜拉橋上斜拉索的風荷載占全橋風荷載比重很大，如蘇通大橋斜拉索上的風荷載占全橋風荷載的60%～70%[1]，因此斜拉索的風致振動對斜拉橋影響很大。

斜拉索風雨激振是斜拉索在風雨共同作用下發生的大幅、低頻振動[2]。美國的Fred Hartman橋[3]、日本的Sun Bridge橋[4]等都發生過風雨激振現象。研究發現，在索的表面設置凹坑或纏繞螺旋線等氣動措施來阻止雨線的形成，可有效抑制風雨激振[5-6]。在風雨振研究過程中，研究者發現斜拉索在降雨停止后仍產生大幅振動，命名為干索馳振[7]。Chen等[8-9]認為，在臨界雷諾數區，斜拉索表面出現不對稱氣泡，并產生了橫風向升力，導致干索馳振產生；Rocchi等[10]的研究表明，螺旋線減弱了漩渦脫落的軸向相關性；李壽英等[11]的研究表明，螺旋線減弱了漩渦脫落強度，并使風壓軸向相關性降低；王衛華等[12]研究了纏繞螺旋線斜拉索平均阻力系數與雷諾數和風攻角的關系；劉慶寬等[13]通過改變螺旋線參數，測試了高雷諾數區域斜拉索的氣動力特性，得到了螺旋線參數與平均阻力、脈動阻力系數的關系。

斜拉索氣動抑振措施引起氣動外形的改變，氣動外形的改變對斜拉索在高雷諾數下的氣動力和馳振穩定性的影響如何，是值得研究的問題。前人的研究更多的側重對氣動力的研究，且對高雷諾數下氣動穩定性研究較少。

針對以上不足，本文對不同螺旋線參數的斜拉索模型在高雷諾數下的氣動穩定性進行了測試。結合已有的各工況平均升力系數[14]，對斜拉索偏離原平衡位置的大小進行分析，得到了每種螺旋線參數下斜拉索新平衡位置的變化規律，為今后斜拉橋的設計和研究提供參考。

1 風洞試驗

本試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心的STU-1風洞內進行，該風洞是一座單回路雙試驗段回/直流大氣邊界層風洞，其試驗段寬2.2 m，高2.0 m，長5 m，最大風速80 m/s。

模型的材質為有機玻璃管，直徑D=120.13 mm(經過5個斷面、每個斷面4個方向直徑平均得到，這些測試確認了該模型具有足夠的圓度)，長度L=1 700 mm，此長度是為了保證模型處于風洞兩側洞壁形成的邊界層之外的均勻穩定的流場中。模型區在40 m/s和65 m/s時的湍流度不大于0.16%[15]，如圖1所示。

圖1 模型區湍流度(尺寸單位：mm；湍流度單位：%)Fig.1 Turbulence intensity of model area (dimension unit: mm; turbulence intensity unit: %)

斜拉索剛性模型測振試驗中，為了減少端部效應，在模型的兩端安裝了直徑為5D(600 mm)的端板。剛性模型兩端各通過4根彈簧將模型懸掛在風洞外壁的支架上，使其在風洞中水平并與來流方向垂直，再通過彈簧連接力傳感器，試驗測得的位移均在線性區域內，通過標定彈簧剛度和測量彈簧的反力就能得到模型的位移。經標定，與風洞外支架下面連接的4 根彈簧的剛度分別為447 N/m，與風洞外支架上面連接的4 根彈簧的剛度為683 N/m，模型安裝如圖2所示。本試驗采用雙螺旋順時針纏繞方式，具體螺旋線參數和各工況雷諾數如表1和表2所示，表中D表示模型直徑。

圖2 測振試驗模型安裝簡圖Fig.2 Model installation diagram

模型直徑D/mm螺旋線直徑d/mm螺旋線間距S/D螺旋線繞法0.891.246D,8D,120.1331.7110D,12D,1.8414D2.35雙螺旋線順時針纏繞

表2 試驗雷諾數范圍及步長

斜拉索模型氣動力測量試驗中，模型兩端安裝美國ATI公司生產的DELTA系列的六分量高頻測力天平，為了減少端部效應，在模型上裝有5倍直徑的端板。模型阻力和升力方向上的量程為330 N，滿量程精度為1/16 N, 頻率為1 500 Hz。

由于本試驗工況較多且試驗過程中參數變化不單一，為方便本文論述將本文試驗工況進行編號，下文論述過程中均以編號代替各個工況，本文共6D，8D，10D，12D，14D五種螺旋線間距，0.89 mm，1.24 mm，1.71 mm，1.84 mm，2.35 mm五種螺旋線直徑，編號原則如下：6，8，10，12，14代表五種間距，1，2，3，4，5分別代表0.89 mm，1.24 mm，1.71 mm，1.84 mm，2.35 mm五種螺旋線直徑，例如文中14-1工況代表14D纏繞間距0.89 mm螺旋線直徑工況，工況14代表14D纏繞間距下的所有螺旋線直徑工況，同理，工況1代表0.89 mm螺旋線直徑下所有纏繞間距各工況。具體各工況編號見表3。

表3 試驗工況編號表

2 螺旋線參數對斜拉索平衡位置的影響

李聰輝用直徑為120 mm的斜拉索模型進行了測力試驗，試驗過程中采用了與本文相同的試驗工況，通過風洞試驗得到了每種工況下的斜拉索氣動升力系數，認為升力的產生對斜拉索振動貢獻很大。本文用氣動力試驗結果結合測振試驗結果對斜拉索氣動穩定性進行分析。將本文光滑模型的升力系數測量結果與邵奇[16]的測量結果進行對比分析，可以驗證試驗的準確性，兩曲線的差異是試驗中來流湍流度、模型表面光滑程度等因素引起的。

圖3 升力系數對比圖Fig.3 Comparison of the lift coefficient

2.1 螺旋線纏繞間距對斜拉索平衡位置的影響

保持螺旋線直徑d不變，改變螺旋線的纏繞間距S，得到氣動升力與雷諾數關系如圖4所示，圖4中D表示模型直徑。

從圖4中可以發現如下規律：第一，與光滑模型相比，纏繞螺旋線模型升力系數較小，說明螺旋線有效的抑制了升力的產生；第二，隨著螺旋線間距的增大，模型升力系數最大值呈增大的趨勢，纏繞間距為10D的工況升力系數與12D工況接近；第三，纏繞間距越小，升力系數從最大值向零值減小的過程越緩慢；第四，與6D纏繞間距相比，纏繞間距越大，升力系數開始增大對應的雷諾數越小。

圖4 工況組1升力系數對比圖Fig.4 Comparison of the variations in lift coefficient for the cases in group 1

如圖5所示，將工況組1平衡位置偏移量進行對比，可以發現如下規律：第一，光滑拉索在雷諾數為38萬～41萬時，平衡位置穩定在75～80 mm；第二，纏繞螺旋線模型平衡位置改變量較光滑模型小很多，且纏繞間距越小，平衡位置改變量越小；第三，10D纏繞間距下平衡位置改變量較其他纏繞間距都大，測力結果也顯示此工況下升力系數較大；第四，與光滑拉索相比，纏繞螺旋線模型平衡位置開始改變對應的雷諾數減小；第五，在本試驗最高雷諾數狀態下，纏繞間距越大，模型新平衡位置偏離原平衡位置的距離越大。

圖5 工況組1平衡位置對比圖Fig.5 Comparison of the equilibrium positions for the cases in group 1

將試驗每個工況平衡位置最大偏移量選出，螺旋線直徑相同的工況相鄰擺放，同螺旋線直徑各工況按照纏繞間距從小到大順序排列，如圖6所示。得到每種螺旋線直徑下，纏繞間距與平衡位置最大偏移量的關系，可以發現：第一，當螺旋線直徑一定，隨著螺旋線纏繞間距的增大，平衡位置偏移量整體呈增大的趨勢；第二，螺旋線直徑越大，纏繞間距與平衡位置最大偏移量的線性關系越好；第三，螺旋線直徑越大，纏繞間距的改變對平衡位置偏移量帶來的影響越小。

圖6 每種螺旋線直徑下平衡位置最大值對比圖Fig.6 Comparison of the maximum equilibrium positions under each helical line diameter

將每種螺旋線間距下不同螺旋線直徑的斜拉索模型的平衡位置最大偏移量選出，并進行相互比較，如圖7所示。從圖7中可以發現：隨著螺旋線纏繞間距的增加，每種纏繞間距下平衡最大偏移量呈先增大后減小的趨勢，但整體而言，較小的螺旋線纏繞間距具有更好的抑振效果。

圖7 各纏繞間距下平衡位置偏移最大值比較圖Fig.7 Comparison of the maximum equilibrium positions under each helical line winding distance

2.2 螺旋線直徑對斜拉索平衡位置的影響

保持螺旋線間距S不變，得到同種螺旋線間距下改變螺旋線直徑時，斜拉索升力系數如圖7所示。

從圖8中可以看出：第一，與光滑模型相比，纏繞螺旋線模型升力系數較小，說明螺旋線有效的抑制了升力的產生；第二，與光滑模型相比，纏繞螺旋線模型升力系數最大值對應的雷諾數增加；第三，隨著螺旋線直徑的增加，平均升力系數最大值大致呈減小的趨勢，但2.35 mm螺旋線下,升力系數值與0.89 mm接近。

如圖9所示，對比同種螺旋線間距、不同螺旋線直徑下平衡位置偏移量可以發現：第一，相同螺旋線纏繞間距下，螺旋線直徑越大，平衡位置改變量越小；第二，相同螺旋線間距下，螺旋線直徑越大，平衡位置由最大值向原平衡位置移動的速度越緩慢；第三，在本試驗最高雷諾數狀態下，螺旋線直徑越小，新平衡位置偏離原平衡位置距離越大。

圖8 工況組14升力系數對比圖Fig.8 Comparison of the variations in lift coefficient for the cases in group 14

圖9 工況組14平衡位置對比圖Fig.9 Comparison of the equilibrium positions for the cases in group 14

將試驗每個工況平衡位置最大偏移量選出，并按照相同纏繞間距工況相鄰擺放，同間距各工況按照螺旋線直徑從小到大順序排列，如圖10所示。得到每種纏繞間距下，螺旋線纏繞直徑與平衡位置最大偏移量的關系，可以發現：第一，同種螺旋線間距下，隨著螺旋線直徑的增加，模型平衡位置偏移量呈減小的趨勢；第二，纏繞間距越大，螺旋線直徑與平衡位置最大偏移量之間的線性關系越差；第三，纏繞間距越小，螺旋線直徑改變對平衡位置偏移量產生的影響越小。

圖10 每種纏繞間距下平衡位置最大值對比圖Fig.10 Comparison of the maximum equilibrium positions under each helical line winding distance

將每種螺旋線直徑下不同螺旋線間距的斜拉索模型平衡位置最大偏移量選出，作為該種螺旋線直徑下的最大平衡位置偏移量，并進行相互比較，如圖11所示。從圖11中可以發現，每種螺旋線直徑下的平衡位置偏移量隨著螺旋線直徑增加呈遞減的趨勢，螺旋線直徑較大時，平衡位置偏移量不再與螺旋線直徑呈線性關系。

圖11 各螺旋線直徑下平衡位置偏移最大值比較圖Fig.11 Comparison of the maximum equilibrium positions under each helical line diameter

2.3 螺旋線參數對斜拉索平衡位置穩定性的影響

由于橫風向氣動力的脈動性，導致在高雷諾數下斜拉索振動過程中的平衡位置不是十分穩定。將振動過程中每個周期的平衡位置選出，并求出其均方根(Root Mean Square，RMS)值，得到相同螺旋線直徑下，不同纏繞間距對應的平衡位置RMS值，如圖12所示。從圖中可以發現如下規律：第一，與光滑拉索模型相比，纏繞螺旋線模型平衡位置最大脈動值更小，但在較高雷諾數下，纏繞螺旋線模型平衡位置脈動值遠大于光滑模型；第二，相同螺旋線直徑下，纏繞間距越大，模型平衡位置脈動值越大，振動越不穩定將試驗所有工況的RMS值隨雷諾數的變化規律按照相同間距放在一起的方式進行擺放，如圖13所示。0的位置表示無螺旋線的斜拉索的情況。通過比較得到每種纏繞間距下平衡位置RMS最大值，并用實線加粗。通過比較可知：隨著螺旋線間距的增加，每種螺旋線纏繞間距下平衡位置RMS最大值增大。

圖12 工況組4五種螺旋線間距下的平衡位置RMSFig.12 The RMS of equilibrium position of 5 helical line winding distances for the cases in group 4

圖13 每種纏繞間距下平衡位置RMS最大值對比圖Fig.13 Comparison of the maximum RMS of equilibrium position under each helical line winding distance

3 結 論

本文通過在斜拉索模型表面纏繞不同的螺旋線參數，通過風洞試驗發現螺旋線纏繞間距和螺旋線直徑對斜拉索橫風向氣動力和穩定性的影響很大，得到以下結論：

(1) 相同螺旋線直徑下，在一定范圍內，螺旋線纏繞間距越小，斜拉索模型的升力越小、平衡位置偏移量越小。這是因為螺旋線纏繞間距越小，模型表面粗糙度越大，增大表面粗糙度會減小斜拉索的振動。

(2) 相同纏繞間距下，在一定范圍內，螺旋線直徑越大，斜拉索模型的平均升力越小、平衡位置改變量越小，同樣是因為增大表面粗糙度會減小斜拉索的振動。

(3) 纏繞間距越小或螺旋線直徑越大，改變另一個參數對平衡位置偏移量產生的影響越小。

(4) 螺旋線纏繞間距越大，越接近光滑斜拉索工況，斜拉索模型的平衡位置穩定性越差。