大跨度斜拉橋中斜拉索的時域減振研究

劉宗仁

（陜西 寶雞 721000）

0 引言

橋梁工程是現階段交通產業中施工質量要求最高的工程類型，橋梁建設質量可直接影響到交通經濟發展成效，各類型橋梁的良好配合應用，能幫助路橋工程完成較高質量的建設目標，提高產業優勢。斜拉橋是拉索橋體系中的一類，按照受力情況建設的斜拉橋結構，通常具備質量輕盈、造型美觀等應用優勢，可在橋梁建設中有較廣泛使用渠道。現階段我國所使用的大跨度橋梁類型中，斜拉橋應用占比較多，研究其時域減振成效，有較高價值。

1 案例概述

本文選擇的案例為典型斜拉橋結構，處于某市城區與村鎮交界地帶，該斜拉橋右岸緊鄰村鎮，與上游省道橋梁僅相距1km 左右。該橋梁橫跨彎曲河段，河面寬度約為550m，若采用傳統橋梁建設形式，則施工工程量被大幅增加，該案例橋梁建設方案選用斜拉結構，可有效針對彎曲河段進行橋梁搭建。該橋其建設軸線的設計角度，經測量與河流走向角度呈銳角，兩者方向上的交角在24°左右，橋梁立柱入水深度符合建設需求，最大入深達13m，本次設計中的橋梁可將現有河床條件進行滿足。

該斜拉結構橋梁在建設完畢后，不僅能對行車安全提供保障，還可結合鐵路線路，完成綜合形式下的應用，可促進當地交通經濟發展。該斜拉橋主橋長度共計540m，選用單塔型制下的雙索面結構，完成預應力混合斜拉構造，保證橋梁總體設計穩定性。主橋主跨達256m，總長（32+57+130+256+64）m，預留出足夠河面寬度，以供橋梁下方通航，斜拉橋梁主橋結構使用的獨塔混合建設方式，能進一步提高斜拉抗振性能，保證斜拉橋穩定。圖1為某斜拉索結構工程施工現場。

圖1 斜拉橋建設現場

2 斜拉索振動機制

斜拉索結構可產生渦激共振、尾流馳振及雨振等現象，這是因為斜拉橋在戶外承擔交通作業，較易遭受雨雪、狂風的侵襲，且橋梁路面和橋塔運行中也會產生振動影響。在各類因素綜合作用下，斜拉索會產生不同機制下的振動頻率，若振動行為較為嚴重，則將危害斜拉橋穩定性，不利于交通產業良好運作。

首先渦激共振是由卡門渦流和橫向振頻達到統一時產生的共振現象，此時風速對共振頻率有較大影響，通常設計出的斜拉索結構其渦激振動頻率較低，共振對橋梁穩定性影響較小，但當風速較大時，渦激力數值隨之增大，為降低該因素對橋梁影響程度，可附加斜拉索阻尼，起良好制振目標。其次尾流馳振是由側索尾流作用導致振動現象衍生出來的，該振動類型受后排斜拉索結構馳振影響，將在后排產生較大幅度振動現象，由此造成橋梁穩定性危害，在設計中應保持斜拉索間距變化的科學性，良好減振。最后在某類風向驅動下，并伴有降雨情況，雨水能夠在斜拉索結構中從上至下流淌，由此斜拉索原有截面形狀遭到改變，該形狀將呈現三角形，不利于空氣流動期間產生的動力穩定，由此在風的作用下產生雨振情況，該類振動也可借由增大結構阻尼方式來進行改變，降低振動危害。

3 斜拉橋應用成效

斜拉索的振動都是由外部激勵引起的，而振動的劇烈程度則由激勵的強弱、拉索本身的結構特點及力學性能所決定[1]。斜拉橋的拉索減振措施也只能從兩個方面入手，即抑制拉索激勵的強度或改變拉索本身的結構特點及力學性能。東神戶大橋其斜拉索表面呈現齒輪狀態，通過改變拉索結構來優化氣動外形，起到減振目的；但通過抑制拉索動力輸出激勵的方案，較難落實，可將減振思路放在對橋梁其余部件的制動上，從而變相起到抑制拉索激勵輸出的效果。

例如通過在橋塔和主梁上安裝TMD（調諧質量阻尼器）來抑制橋塔和主梁的振動，幫助橋塔和主梁的振動行為成為斜拉索的一種激勵，減振措施的作用絕大部分是改變拉索本身特性。現階段路橋工程建設中，通過改善拉索動力性能來實現減振操作的方案較多，比如將斜拉索氣動外形進行設計優化、改善斜拉索結構特征等，另外還有將斜拉索模態阻尼數值增大的方案，使拉索結構與阻尼器互連，完成較高減振目標。

4 動力分析

本文案例所構建的斜拉橋，其設計構造相對復雜，因此探究其振動機制及斜拉索時域減振效率，應借助專業軟件來建模處理，著重分析振動行為的動力構成，從而支持減振方案能以科學性目標提出，落實制振成效。選擇有限元軟件對該斜拉橋動力建模，橋梁的主塔、邊墩、輔墩等部件借用空間梁單元軟件做以模擬，由此得到該橋梁節點數量共計為1926 個，其中空間梁模塊共1924 個、桿單元模塊共64 個、橋面模塊單元為840 個[2]。在將動力分析對象建模處理后，可將該橋梁各節點下的斜拉索動力指標加以確定，由此更便于完成減振效果的評測過程。

5 CFD 分析

對案例斜拉橋梁進行CFD 分析處理，首先要把斜拉索斷面做以簡化模擬，可針對各斜拉索斷面做以單獨變量討論。在去掉沿橋軸向間隔布置的欄桿及立柱后，保留鋪裝層厚度及擋砟墻。其次，由于混凝土梁和鋼箱梁在斷面中間位置的高度不同，氣流流過時流場形態不同，可能導致三分力系數不同[3]。由此，本文需分別對鋼箱梁和混凝土梁進行建模、網格劃分及計算分析。

CFD 分析中所需要使用到的計算域邊界情況見圖2，將斷面高度化作單位數值D，此時設計中所強調的5%阻塞率經分析，可達到斜拉索規范建設需求。在分析階段，需要將結構目標進行四邊形網格的差異化處理，由此可在較高運作質量下，提升分析的科學性，保證計算質量。網格應在尾流和靠近梁壁的地方加密處理，便于探索該類區域下的流動趨勢，捕捉瞬時數值，該階段網格密度可設置1mm 作為最小單位，保證靠近梁壁處的首層探索分析結果更具精準度。

靜力不同系數下的分力數值，可在結構斷面的CFD 分析中起到良好參數支持，通過分析不同結構斷面下的風力作用影響，可展示出無量綱參數，較好反映出斜拉橋在不同風場強度下的準定常氣動數值，由此便可為減振性能提供理論數據，提升測試精準性。結合CFD 分析模擬數值，可將斜拉索設計完畢后投入運行時的主梁靜力做以系數上的探究，可發現不同風力能對斜拉索產生的動力振動影響不同，斜拉索其整體減振性能優異。

圖2 CFD 分析計算域邊界條件

6 斜拉索減振效率

本文案例所進行的減振方案是利用阻尼器來改變斜拉索阻尼情況，由此完成時域減振操作，提升斜拉橋運行中的安全性。斜拉索其響應變化有著較低敏銳度，在將阻尼器設備進行加設后，可加快斜拉索結構的響應效率，由此完成對減振結構的初步建設。阻尼器加裝完畢后，其作用機理并不是較為明顯的，但可有效改善長度較長的斜拉索在面對強風時的敏銳程度，比如當外界風速較大時，安裝了阻尼器的長斜拉索可比未安裝的拉索響應更快、減振幅度更高。

但阻尼器在風速偏小情況下，其作用效果一般，能夠起到的減振成效相對偏低，且耗能依舊。因此對阻尼器減振方案應辯證看待，結合現有斜拉橋梁建設情況，選擇適宜的減振方案，將斜拉橋梁設計更具科學性，增強路橋工程的安全程度。

7 結論

綜上所述，對斜拉索橋梁結構進行振動機制分析得到一定減振思路，結合動力分析、CFD 分析的模型建立，能對斜拉索結構進行充分的振動數值計算，由此提出的斜拉索減振措施，能在阻尼數值調控下，分別針對不同設計風速，調節振動機制，提高斜拉橋穩定性。經測試所得到的振動數值，在斜拉索結構索設計的承受范圍內，因此斜拉索可為減振性能提供較為有效的支持，便于路橋工程取得更佳減振成效。